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ECON UN3211, Problem Set #2

Due date: Wednesday, February 1, 2023

1. Let X = Z+ , the set of nonnegative integers. In each of the following parts, we will name a binary relation on X . For each one, tell me (i) whether or not it is complete, (ii) whether or not it is transitive, (iii) whether or not it is a preference relation, and if so, (iv) whether or not it admits a utility representation. Justify your answers.

(a) The relation =.

(b) The relation .

(c) The relation YES where xYESy for every x and y .

(d) The relation NopE where we don’t have xNopEy for any x and y .

(e) The relation Y, where x Y y if and only if either x = 0 or x > y > 1.

2. Let X be a set, and let Y be a binary relation on X .

(a) Define the binary relation 5 on X by x 5 y ÷ y Y x. Show that:

i.  5 is transitive if Y is transitive;

ii.  5 is complete if Y is complete;

iii.  5 is a preference relation if Y is a preference relation.

[The relation 5 can be thought of as the opposite” of Y.  For example, if Ann and Bob are playing heads-up poker, and Y describes Ann’s pref- erences over which starting hands they each have, then it’s natural that Bob’s preferences would be 5.]

(b)  Suppose Y is transitive. Suppose a, b, c e X . Show that:

i. If a > b and b Y c, then a > c.

ii. If a Y b and b > c, then a > c.

(c)  Suppose Y is transitive. Explain why the relation ~ (given by x ~ y  年÷ both x Y y and y Y x) is transitive.


3. Let X be a set, and let Y1  and Y2  be two binary relations on X .  Define the lexicographic binary relation YL  as follows: for any x, y e X, we have x YL  if and only if at least one of the following two conditions holds:1 .

● x >1 y

● x ~1 y and x Y2 y .

[If Y1  and Y2  capture how a decision maker feels about different aspects of a decision, then YL is one way of combining them: use aspect 1 to make decisions,

but if aspect 1 does not make the decision easy, then use aspect 2 to break ties.] Explain why each of the following is true:

(a) If x, y e X have x YL y, then x Y1 y .

(b)  YL  is complete if both Y1  and Y2  are complete.

(c)  YL  is transitive if both Y1  and Y2  are transitive.  [Hint:  part (a) of this question and parts (b,c) of the previous question may be helpful.]

(d)  YL  is a preference relation if both Y1  and Y2  are preference relations. (e) If Y2  is exactly Y1 , then YL  is exactly Y1 .

(f) If Y2  is exactly 51  (see question 2(a)), then YL  is exactly Y1 .

4.  [In addition to giving you some practice thinking about utility representations, this question will give us a bit more intuition for the idea that utility is an “ordinal” concept.  It will also show how some of our intuitions about utility might apply when X is nite but not when X is infinite.]

Let X be a set, let Y be a preference relation on X, and let u be a utility representation for Y.

(a)  Suppose X is nite.  Explain why some (large enough) number M  > 0 exists such that .M < u(x) < M for every x e X . That is, the utility is bounded.

(b)  Show that, even if X is infinite, some alternative utility representation and some (large enough) number M > 0 exists such that .M < (x) < M for every x e X . [Hint: The function ϕ : R R given by ϕ(t) = is strictly increasing.]

(c)  Suppose X is nite. Show that some (small enough) number m > 0 exists such that u(x) . u(y) > m for any x > y .

(d)  Suppose X = 勿+ , and Y is the preference relation defined in question 1(e).

i. Explain why any whole number k > 3 has u(1) < u(2) < · · · < u(k) < u(0).

ii. Explain why no number m > 0 exists such that u(x) . u(y) > m for any x > y .

5. Let X be a set, and let Y1  and Y2  be two preference relations on X, and let YL  be the lexicographic preference relation as defined in question 3.  Suppose u1   : X R is a utility representation for Y1 , and u2   : X R is a utility representation for Y2 . For every number ∈ > 0, define the function u5  : X R by letting u5 (x) = u1 (x) + ∈u2 (x).

[We might say YL  puts much more weight” on Y1  than on Y2 . This question gives a sense in which that interpretation is valid, but also shows that this interpretation can be a bit misleading.]

(a)  Consider the special case in which X is nite. Show that, for some ∈ > 0, the function u5  is a utility representation for YL .  [Hint: parts (a,c) of the previous question might be helpful.]

(b)  [Hard, optional question. You don’t need to know this, but you can think about it if you would nd it fun.] Suppose X is countably infinite.2  Must there exist some ∈ > 0 such that u5  is a utility representation for YL ?