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Verflechtung: Leontief-Modell und mehrstufige Produktion

Kein Betrieb und kein Wirtschaftszweig arbeitet für sich allein: Ein Kraftwerk braucht Stahl, das Stahlwerk braucht Strom. Wie viel muss jeder Bereich insgesamt herstellen, damit nach dem gegenseitigen Verbrauch genug für den Markt übrig bleibt? Das beantwortet das Input-Output-Modell von Wassily Leontief – mit Matrizen und ihrer Inversen.

Die Verflechtungstabelle

Zwei Sektoren beliefern sich gegenseitig, sich selbst und den Markt. In der Tabelle steht in Zeile $i$, wie viele Einheiten Sektor $i$ an wen liefert:

Lieferung von \ anSektor 1Sektor 2Markt (Endnachfrage $y$)Gesamtproduktion $x$
Sektor 1203050100
Sektor 2401050100
Sektor 1x₁ = 100 Sektor 2x₂ = 100 3040 2010 Markt: 50Markt: 50

Die Zeilensumme ergibt die Gesamtproduktion: Sektor 1 stellt $20 + 30 + 50 = 100$ Einheiten her, davon gehen 50 in die Produktion (Vorleistungen) und 50 an den Markt.

Inputmatrix und Leontief-Modell

Wie viel braucht ein Sektor von den anderen für eine Einheit seiner Produktion? Dazu teilt man jede Spalte durch die Gesamtproduktion des Sektors, der die Lieferung erhält: $a_{ij} = x_{ij} : x_j$.

\[A = \begin{pmatrix} 20 : 100 & 30 : 100 \\ 40 : 100 & 10 : 100 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0{,}2 & 0{,}3 \\ 0{,}4 & 0{,}1 \end{pmatrix}\]

Sektor 2 braucht also für jede Einheit 0,3 Einheiten von Sektor 1 und 0,1 Einheiten von sich selbst. Diese Inputmatrix (Technologiematrix) bleibt gleich, solange sich die Technik nicht ändert – auch wenn sich die Nachfrage ändert.

Merke: Leontief-Modell

Gesamtproduktion = Eigenverbrauch + Marktabgabe: $\;x = A \cdot x + y$. Umgestellt:

\[(E - A) \cdot x = y \qquad\Longleftrightarrow\qquad x = (E - A)^{-1} \cdot y\]

$E$ ist die Einheitsmatrix, $(E - A)^{-1}$ heißt Leontief-Inverse. Ihr Eintrag in Zeile $i$, Spalte $j$ gibt an, wie viel Sektor $i$ insgesamt herstellen muss, damit eine Einheit von Sektor $j$ an den Markt gehen kann.

Beispiel: Die Nachfrage ändert sich auf $y = (60;\ 30)$

\[E - A = \begin{pmatrix} 0{,}8 & -0{,}3 \\ -0{,}4 & 0{,}9 \end{pmatrix},\quad \det(E - A) = 0{,}72 - 0{,}12 = 0{,}6\]
\[(E - A)^{-1} = \frac{1}{0{,}6} \begin{pmatrix} 0{,}9 & 0{,}3 \\ 0{,}4 & 0{,}8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1{,}5 & 0{,}5 \\ \tfrac{2}{3} & \tfrac{4}{3} \end{pmatrix}\]
\[x = \begin{pmatrix} 1{,}5 & 0{,}5 \\ \tfrac{2}{3} & \tfrac{4}{3} \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 60 \\ 30 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 105 \\ 80 \end{pmatrix}\]

Probe: $(E - A) \cdot x = (0{,}8 \cdot 105 - 0{,}3 \cdot 80;\ -0{,}4 \cdot 105 + 0{,}9 \cdot 80) = (60;\ 30)$. Für 2×2-Matrizen gilt die Formel $\begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}^{-1} = \frac{1}{ad - bc} \begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}$; größere invertiert man mit dem Gauß-Jordan-Verfahren (siehe Matrizen).

Umgekehrt: Plant man die Produktion $x$, dann ist die Marktabgabe $y = (E - A) \cdot x$ – dafür braucht man keine Inverse. Eine Volkswirtschaft heißt produktiv, wenn jede Endnachfrage $y \ge 0$ erfüllbar ist; das ist genau dann der Fall, wenn $(E - A)^{-1}$ existiert und keine negativen Einträge hat. Ist jede Spaltensumme von $A$ kleiner als 1, ist das sicher erfüllt.

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Mehrstufige Produktion

In einer Fabrik entstehen aus Rohstoffen zuerst Zwischenprodukte (Baugruppen) und daraus Endprodukte. Die Mengen notiert man in Bedarfsmatrizen – oft zuerst als Pfeildiagramm, dem sogenannten Gozinto-Graphen („goes into“).

Beispiel: drei Rohstoffe, zwei Baugruppen, drei Produkte

Spalte = was eine Einheit braucht. Für eine Baugruppe Z₁ braucht man 2 Einheiten R₁ und 1 Einheit R₂; für ein Produkt E₁ eine Baugruppe Z₁ und drei Z₂:

\[M_{RZ} = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 3 \\ 0 & 2 \end{pmatrix},\qquad M_{ZE} = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 3 & 1 & 2 \end{pmatrix}\]

Der Rohstoffbedarf je Endprodukt ist das Produkt der Matrizen (Matrizenmultiplikation, Reihenfolge beachten):

\[M_{RE} = M_{RZ} \cdot M_{ZE} = \begin{pmatrix} 5 & 5 & 2 \\ 10 & 5 & 6 \\ 6 & 2 & 4 \end{pmatrix}\]

Ein Auftrag über $e = (10;\ 20;\ 5)$ Endprodukte braucht $z = M_{ZE} \cdot e = (50;\ 60)$ Baugruppen und $r = M_{RE} \cdot e = (160;\ 230;\ 120)$ Rohstoffeinheiten.

Kosten die Rohstoffe 2 €, 1 € und 3 € je Einheit, dann kosten die Rohstoffe für ein Endprodukt $(2;\ 1;\ 3) \cdot M_{RE} = (38;\ 21;\ 22)$ Euro, für den ganzen Auftrag $38 \cdot 10 + 21 \cdot 20 + 22 \cdot 5 = 910$ Euro.

Typische Fehler

  • Bei der Inputmatrix durch die Zeilensumme des liefernden statt durch die Produktion des empfangenden Sektors teilen.
  • $A^{-1} \cdot y$ statt $(E - A)^{-1} \cdot y$ rechnen.
  • Bedarfsmatrizen in der falschen Reihenfolge multiplizieren: $M_{ZE} \cdot M_{RZ}$ passt meist nicht einmal von den Formaten.

Online üben

Vektoren gibst Du als Einträge mit Semikolon ein, z. B. 105; 80.

Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Neue Aufgaben

Stufe 1: Marktabgabe y = (E − A)·x

  1. Aufgabe 1
    \(A = \begin{pmatrix} 0{,}4 & 0{,}2 \\ 0{,}1 & 0{,}2 \end{pmatrix},\) \(x = \begin{pmatrix} 130 \\ 280 \end{pmatrix}:\) Marktabgabe \(y\)
    \(y_1; y_2\)
    \(y = x - A \cdot x\) \(= \begin{pmatrix} 130 \\ 280 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 108 \\ 69 \end{pmatrix}\) \(= \begin{pmatrix} 22 \\ 211 \end{pmatrix}\)
  2. Aufgabe 2
    \(A = \begin{pmatrix} 0{,}4 & 0 \\ 0{,}3 & 0{,}4 \end{pmatrix},\) \(x = \begin{pmatrix} 120 \\ 230 \end{pmatrix}:\) Marktabgabe \(y\)
    \(y_1; y_2\)
    \(y = x - A \cdot x\) \(= \begin{pmatrix} 120 \\ 230 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 48 \\ 128 \end{pmatrix}\) \(= \begin{pmatrix} 72 \\ 102 \end{pmatrix}\)
  3. Aufgabe 3
    \(A = \begin{pmatrix} 0{,}2 & 0{,}4 \\ 0{,}1 & 0{,}2 \end{pmatrix},\) \(x = \begin{pmatrix} 130 \\ 220 \end{pmatrix}:\) Marktabgabe \(y\)
    \(y_1; y_2\)
    \(y = x - A \cdot x\) \(= \begin{pmatrix} 130 \\ 220 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 114 \\ 57 \end{pmatrix}\) \(= \begin{pmatrix} 16 \\ 163 \end{pmatrix}\)

Tippe Deine Lösung ein und klicke auf „Prüfen“ (oder drücke Enter). Brüche als 3/4, Dezimalzahlen mit Komma, mehrere Lösungen mit ; trennen, Potenzen als x^2, Wurzeln als sqrt(5). Punkte: 10 für richtig beim ersten Versuch, 6 nach einem Fehlversuch, 5 mit Tipp, 0 wenn Du Dir vorher die Lösung anschaust. Deine Punkte und Abzeichen siehst Du unter Mein Training.

Arbeitsblatt: Verflechtung – Leontief-Modell und mehrstufige Produktion

Eine volle DIN-A4-Seite Aufgaben mit Lösungsblatt zum Ausdrucken – bei jedem Klick neue Aufgaben. Klasse 11–13.

Schwierigkeit

Mit dem Leontief-Rechner rechnest Du eigene Tabellen und Bedarfsmatrizen exakt mit Brüchen durch. Wie Zustände sich mit Matrizen über die Zeit verändern, zeigen die Übergangsmatrizen.

Weiterlesen: Input-Output-Analyse, Wassily Leontief bei Wikipedia

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