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數學建模在經濟分析中的關鍵角色

對許多學生而言,數學可能是一門艱難的學科。然而,沒有數學的支持,我們只能模糊地描述變量之間的關係,例如「價格上漲導致需求下降」。但究竟需求減少的幅度是多少?減少的趨勢是線性的還是非線性的?僅憑質性敘述,很難為企業或政府提供精確的決策依據。尤其是面對經濟活動、社會互動、文化風俗等難以量化的人類行為,我們需要通過數學建模(Mathematical Modeling)構建數學工具來描述和分析這些現象。這也正是 STEAM 科目的核心實踐方式之一。

數學模型的例子:以 GDP 量度國家經濟活動

國內生產總值(GDP)是經濟學中用來衡量國家經濟活動的重要指標,其公式為:

GDP = C + I + G + (X - M)

這五個組成部分為什麼不可多也不可少?是否應考慮年度通脹因素?這一指標的誕生源於美國經濟學家西蒙·庫茲涅茨(Simon Kuznets),他於 1934 年首次提出 GDP 的概念,並在 1944 年布列敦森林會議上被正式採納為國家經濟衡量標準。儘管 GDP 無法完全描繪國家的所有經濟活動,卻能「大致」提供量化的數據,為政府根據年度變化調整經濟政策提供依據。

然而,隨著可持續發展目標(SDGs)和環境、社會與公司治理(ESG)的理念日益受到重視,單純依賴 GDP 已難以充分衡量現代社會中的多元需求。現代社會更加關注人文精神與生活品質,一些對經濟有幫助但不涉及市場交易的活動(如家庭勞動與志願服務)無法體現在 GDP 中。因此,經濟學家提出了不少補充指標,例如國民幸福指數(Gross National Happiness, GNH)和人類發展指數(Human Development Index, HDI)等。此外,真實進步指數(Genuine Progress Indicator, GPI)則通過扣除環境損害的成本來更準確反映經濟福祉。這些補充指標的出現反映,數學建模在衡量抽象概念時有其局限性。

圖1: 日本的 GDP 並無明顯增長趨勢,然而 HDI 卻拾級而上,呈現了不同的面貌
圖1: 日本的 GDP 並無明顯增長趨勢,然而 HDI 卻拾級而上,呈現了不同的面貌

選取合適數據的重要性與模型修正

獲取統計數據需要投入大量的人力物力,並且在某些情況下需要專業知識來詮釋。在識字率低或教育水平不足的地區,經濟數據的準確性可能存在偏差。例如在某些農村地區,以物易物的交易方式或不完整的交易記錄可能導致 GDP 中消費(C)部分的數據不準確。在這種情況下,是否可以構建其他數學模型來更準確地描述經濟活動?

過去,中國曾使用「耗電量」、「鐵路貨運量」和「銀行貸款發放量」三個指標來反映經濟狀況。這些指標分別側重於工業生產、經濟運行情況和市場信心,並按以下公式加權計算:

  • 4 x(耗電量)+ 0.25 x(鐵路貨運量) + 0.35 x(銀行貸款發放量)

然而,自 2015 年起,該指數逐漸失效,未能反映實際經濟情況。這表明數學模型需要隨著現實條件的變化進行調整,例如修改系數或引入新變量。

數學建模的核心:遞迴與修正

數學建模是一種將數學應用於現實問題並尋求解決方案的思考方式。其遞迴特性(Recursion)與科學探究(Scientific Investigation)和設計思維(Design Thinking)相似:首先提出假設模型,通過實踐驗證並識別模型中的不足,進而重覆進行修正,最終得出最可行的模型。

圖2: 數學建模的流程(來源:教育局)
圖2: 數學建模的流程(來源:教育局)

納斯達克指數被用作美國科技股和互聯網企業股價走勢的指標,間接反映美國新科技公司的表現。然而,在過去一年中,儘管美國經濟環境惡化、企業裁員頻繁,納斯達克指數卻屢創新高。這引發了廣泛討論:納斯達克指數能否真實反映整個資本市場的動態?它是否僅能反映市值最大的幾家企業的表現?如果存在偏差,應如何修正指數計算方式?這些問題本質上都是數學建模的挑戰。

數學模型在商業領域上亦非常重要

數學建模不僅在 STEAM 中廣泛使用,其思考方式亦能在商業活動中體現。從 GDP 到納斯達克指數,再到各種替代性經濟指標,數學建模在經濟學和商業分析中發揮著關鍵作用。它不僅幫助我們更精確地描述複雜現象,還能為決策提供強有力的支持。

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