Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäisten todennäköisyysjakaumien vaikutuksista vakuutusmatemaattisiin malleihin Jaakko Lehtomaa Matematiikan ja tilastotieteen laitos Helsingin yliopisto 20.10.2015 Suomen Aktuaariyhdistyksen kuukausikokous Paksuhäntäiset jakaumat Esityksen Sisältö Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Motivaatio Diskonttausmalli Yhdistetty Malli Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Yhteenveto Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Sisältö: Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Motivaatio Diskonttausmalli Yhdistetty Malli Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Yhteenveto Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Määritelmä I Reaaliarvoinen satunnaismuuttuja X on paksuhäntäinen tai noudattaa paksuhäntäistä jakaumaa, jos E(esX ) = ∞ kaikilla s > 0 I Tyypillisiä esimerkkejä: Pareto, Weibull ja lognormaalit jakaumat I Intuitio: Häntäfunktio vähenee hitaammin kuin eksponettifunktio I Jos satunnaismuuttuja ei ole paksuhäntäinen, niin se on kevythäntäinen Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Vaihtoehtoinen Ekvivalentti Määritelmä I Paksuhäntäisyys perustuu nimensä mukaisesti häntäfunktion F (x) := P(X > x) ominaisuuksiin I Vaihtoehtoinen määritelmä: satunnaismuuttuja X on paksuhäntäinen täsmälleen silloin, kun lim inf x→∞ − log P(X > x) = 0. x Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Esimerkki (Weibull) I Jos α F (x) = e−x , missä x ≥ 0 ja α > 0, niin I I I häntä on paksu, kun α ∈ (0, 1) ja häntä on kevyt, kun α ≥ 1 Perustelu: xα − log P(X > x) = → 0 ⇐⇒ α ∈ (0, 1) x x Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Paksuhäntäisten Muuttujien Ilmeneminen, Esimerkki I Paksuhäntäisiä satunnaismuuttujia muodostuu stokastisiin malleihin satunnaismuuttujien tulojen kautta. I Olkoot X1 ja X2 riippumattomia ja samoin jakautuneita. I X1 ∼ Exp(1), eli F X1 (x) = e−x , kun x ≥ 0. √ Nyt P(X1 X2 > x) ≥ P(X1 > x)2 , joten I −2 log P(X1 > − log P(X1 X2 > x) ≤ x x I √ x) → 0. Siis satunnaismuuttuja X1 X2 on paksuhäntäinen. Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Motivaatio Sisältö: Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Motivaatio Diskonttausmalli Yhdistetty Malli Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Yhteenveto Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Motivaatio Mihin Paksuhäntäisiä Muuttujia Tarvitaan? I Paksuhäntäisillä satunnaismuuttujilla voidaan mallintaa stokastisia ilmiöitä I Monet reaalimaailman ilmiöt vaikuttavat sisältävän paksuhäntäisiä osia I Kevythäntäisellä muuttujalla X pätee P(X > x) ≤ C1 e−C2 x I joillakin C1 , C2 > 0 Eksponentiaalinen vähenemisvauhti vahinkojen hännälle vaikuttaa epäuskottavalta ainakin: I I I Tietyssä palovakuutusdatassa Tulvapatojen vesimäärien mallinnuksessa Katastrofivakuutuksessa Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Motivaatio Paksuhäntäisiä Ilmiöitä 1. Jäljellä oleva odotusaika ei välttämättä lyhene, vaikka on odotettu jo kauan: P(X > y + x|X > x) = P(X > y + x) → 1, P(X > x) x →∞ 2. Summa ja maksimi voivat olla suunnilleen yhtä vaarallisia (subexponentiaalisuus): P(max(X1 , X2 ) > x) → 1, P(X1 + X2 > x) x →∞ 3. Todennäköisin tapa, jolla summa ylittää suuren kiinteän tason on se, että tasan yksi summan jäsen yksin ylittää tason (yhden suuren hypyn periaate) Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Motivaatio Esitelmän Tavoite I Tarkastella kahden yleisen vakuutusmatemaattisen mallin asymptoottista käyttäytymistä, kun jotkut mallin osat ovat paksuhäntäisiä I I I I Tarkastelu tehdään momenttien tasolla Todistukset ohitetaan Keskitytään rajoittamattoman aikajänteen tarkasteluihin Tarkastella yleistä paksuhäntäisille satunnaismuuttujille tyypillistä ominaisuutta yksinkertaisimmassa mahdollisessa viitekehyksessä Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Sisältö: Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Motivaatio Diskonttausmalli Yhdistetty Malli Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Yhteenveto Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Klassinen Satunnaiskulkumalli I Tarkastelee satunnaiskulun Sn = B1 + B2 + . . . + Bn todennäköisyyttä ylittää ennalta annettu taso U0 > 0 I Satunnaiskulku esittää tappiota ja U0 (tai lyhyemmin x) alkuvarallisuutta I (Bi )∞ i=1 i.i.d. Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Vararikkotodennäköisyydet Klassisessa Mallissa I Kiinnostuksen kohteina ovat vararikkotodennäköisyydet: I I I P(Sk > x jollakin 1 ≤ k ≤ n) ja P(Sk > x jollakin k ) Täsmällinen vararikkotodennäköisyyksien laskeminen on haastavaa I I Vararikkotodennäköisyydelle muodostetaan arvioita Luonnollisin oletuksin päädytään Cramérin-Lundbergin arvioihin Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Yleinen Vararikkomalli I Tarkastellaan klassisen satunnaiskulkumallin sijasta yleisempää mallia I Vuoden n kokonaistappio on muotoa Yn = B1 + A1 B2 + A1 A2 B3 + . . . + A1 . . . An−1 Bn I Satunnaisesti painotettu versio satunnaiskulusta I Palautuu satunnaiskulkumalliin valinnalla Ai = 1 kaikilla i Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Yleisen Vararikkomallin Motivointi I Alkupääoma U0 > 0 ja vuoden n lopun pääoma Un I Pääoman kehitys määräytyy rekursiivisesti: Un = (1 + rn )(Un−1 − Bn ), n = 1, 2, . . . , missä rn kuvaa tuottoa ja Bn kokonaisvahinkomäärää. I Prosessin (Un ) avulla voidaan määrätä vararikkohetki T : TU0 = inf{n : Un < 0}. Toisaalta, jos asetetaan An = 1/(1 + rn ), niin oletuksella rn > −1 pätee TU0 = inf{n : Yn > U0 }. Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Yleisen Vararikkomallin Tulkinta Vuosiin n = 1, 2, 3 . . . liitetään satunnaismuuttujat: Bn Vuoden n kokonaisvahinkomäärä vakuutustoiminnasta An Vuoteen n liittyvä finanssiriski Yn Vuoteen n liittyvä kokonaistappio, Y0 := 0, Yn = n X i=1 Bi i−1 Y j=1 Aj Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Siis: Yn = n X i=1 Bi i−1 Y Aj j=1 Esimerkiksi: Y1 = B1 Y2 = B1 + A1 B2 Y3 = B1 + A1 B2 + A1 A2 B3 .. . Satunnaismuuttujien Ai ja Bi EI tarvitse olla riippumattomia Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Täsmälliset Oletukset I Jono ((Ai , Bi ))∞ i=1 Koostuu i.i.d. vektoreista. II Jonon (Ai )∞ i=1 jäsenet ovat aidosti positiivisia, eikä Ai ole vakio 1. III Jonon (Bi )∞ i=1 jäsenet ovat reaaliarvoisia ja P(B > 0) > 0. I Oletukset II ja III ovat minimaaliset: I I I Sijoitustoiminnassa voi menettää korkeintaan sijoittamansa määrän Jos A ≡ 1, niin tilanne palautuu klassiseen satunnaiskulkumalliin Jos B ≤ 0 melkein varmasti, niin vararikko on mahdoton Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Vararikkohetket I Oletetaan, että x > 0 on kiinteä alkuvarallisuus I Määritellään (rajoittamaton) vararikkohetki kaavalla τ (x) = inf{n ∈ N : Yn > x} I I Rajoitetun aikavälin vararikkohetki vastaavasti τn (x) Määritellään suurimpia arvoja kuvaavat muuttujat I I I Ȳ = supk∈N {Yk } Ȳn = sup1≤k≤n {Yk } Nyt {τ (x) < ∞} = {Ȳ > x} ja {τn (x) < ∞} = {Ȳn > x} Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Vararikko Hännän Avulla Siis: I P(Yk > x jollakin k ) = P(τ (x) < ∞) = P(Ȳ > x) I P(Yk > x jollakin 1 ≤ k ≤ n) = P(τ (x) ≤ n) = P(Ȳn > x) Seuraus: I Vararikkotodennäköisyyksien arviointi voidaan palauttaa häntäfunktioiden P(Ȳ > x) ja P(Ȳn > x) tarkasteluun Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Vararikkotodennäköisyydestä I Tavoitteena on selvittää miten vararikkotodennäköisyys muuttuu, kun alkuvarallisuus kasvaa I Mitä vauhtia vararikon mahdollisuus pienenee alkupääoman kasvaessa? I Monien paksuhäntäisten riskien tapauksessa oikea vähenemisvauhti vararikkotodennäköisyydelle on polynominen I Kiinnostavat suureet ovat tällöin: lim inf x→∞ log P(Ȳ > x) log x ja lim sup x→∞ log P(Ȳ > x) log x Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Vararikkotodennäköisyydestä I Jos lim sup x→∞ log P(Ȳ > x) = −α, log x missä α ∈ (0, ∞), niin P(Ȳ > x) ≤ x −α+ jokaisella > 0, kun x on riittävän suuri I Ylärajat tärkeimpiä vararikkoteoriassa I Kysymys: Miten paras vauhti α voidaan saada selville? I Vastaus: Momentti-indeksien avulla! Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Mikä On Momentti-indeksi? I Olkoon X satunnaismuuttuja. Asetetaan I(X ) := sup{s ≥ 0 : E((X + )s ) < ∞} I Suure I(X ) on satunnaismuuttujan X momentti-indeksi I I(X ) ∈ [0, ∞] Huomaa: I I I I I Momentti-indeksi on aina määritelty Arvot 0 ja ∞ mahdollisia E((X + )I(X ) ) voi olla äärellinen tai ääretön Tulkinta: Pieni momentti-indeksi tarkoittaa korkeaa riskiä Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Tulos: Satunnaismuuttujan Ȳ momentti-indeksi on esitetyin oletuksin ja pienen teknisen lisäehdon vallitessa mahdollista laskea: I(Ȳ ) = min(I1 (A), I(B)) , missä I1 (A) = sup{s ∈ [0, ∞) : E(As ) ≤ 1} ja I(B) = sup{s ∈ [0, ∞) : E((B + )s ) < ∞}. Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Diskonttausmalli Johtopäätökset Diskonttausmallista 1. Momentti-indeksit riippuvat vain satunnaismuuttujien hännistä, joten koko jakaumaa ei tarvitse tietää 2. Momentti-indeksi I(B) ja Lundbergin eksponentti I1 (A) määräävät suureen lim sup x→∞ log P(Ȳ > x) = −I(Ȳ ) log x 3. Yleisin oletuksin: I(Ȳ ) = min(I1 (A), I(B)) 4. On löytetty paras vähenemisvauhti α diskonttausmallissa Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhdistetty Malli Sisältö: Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Motivaatio Diskonttausmalli Yhdistetty Malli Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Yhteenveto Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhdistetty Malli Yhdistetty Muuttuja I (Sn ) satunnaiskulku I N kokonaislukuarvoinen satunnaismuuttuja SN = X1 + X2 + . . . + XN I Millä tavalla SN voi saavuttaa suuria arvoja, eli mikä aiheuttaa suurvahingot yhdistetyssä mallissa? Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhdistetty Malli Yhdistetyn muuttujan motivaatio I I Miten muuttujan SN jakauma riippuu lisäyksistä ja pysäytysmuuttujasta? Vastaako muuttujan SN häntä funktiota I E(N)P(X > x) vai funktiota II P(E(X )N > x)? I Miten suuret kokonaisvahingot syntyvät? I I I Muutamasta suuresta vahingosta Suuresta määrästä pieniä vahinkoja Tarkastellaan muuttujan SN asymptotiikkaa momenttien tasolla Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhdistetty Malli Tavoite ja Oletukset I Tavoitteena löytää paras α ≥ 0, jolla lopulta P(X1 + X2 + . . . + XN > x) ≤ x −α I Miten luku α riippuu muuttujista X ja N, kumpi dominoi? I Oletukset: I Jonon (Xi ) jäsenet riippumattomia ja samoin jakautuneita II Pysäytysmuuttuja N riippumaton jonosta (Xi ) Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhdistetty Malli Pysäytetyn summan momentit Jos 1. Sn → ∞, kun n → ∞ 2. Ainakin toinen odotusarvoista E(X ) tai E(N) on äärellinen, niin I(SN ) = min(I(X ), I(N)) Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhdistetty Malli Johtopäätökset Yhdistetystä Mallista I Tulkinta: Momenttien tarkkuudella muuttujan SN häntä määräytyy täysin sen perusteella, kumpi muuttujista X ja N on paksuhäntäisempi I Tulos on tätä yleisempi, yleisin oletuksin satunnaismuuttujan SN häntä muistuttaa asymptoottisessa mielessä sen jakauman X tai N häntää, joka vähenee hitaammin, eli on paksumpi Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Sisältö: Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Määritelmät Motivaatio Diskonttausmalli Yhdistetty Malli Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Yhteenveto Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Yhden Suuren Hypyn Periaate I Idea: Todennäköisin tapa, jolla summa on suuri on se, että vain yksi muuttuja on suuri ja muut pieniä I Esiintyy subeksponentiaalisten muuttujien yhteydessä I Määritellään ilmiön tutkimista varten satunnaismuuttujaperhe (Zd )d>0 seuraavasti: Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Prosessin Zd Määritelmä I Olkoot X1 ja X2 positiivisia ja i.i.d. I Asetetaan X1 {X1 + X2 = d} d Tutkitaan muuttujan Zd käyttäytymistä rajalla d → ∞. Zd := I I Tulkinta: Zd kuvaa ensimmäisen muuttujan X1 osuutta summasta X1 + X2 , kun koko summan tiedetään olevan suuri luku d. Kuva: Muuttujan X1 |{X1 + X2 = 8} tiheys, kun X1 ∼ Weibull(a) Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Konvergenssityypit I ja II I Määritellään seuraavat konvergenssimahdollisuudet prosessille (Zd ): I) L(Zd ) → 12 δ0 + 12 δ1 ja II) L(Zd ) → δ 1 2 I L(Zd ) on muuttujan Zd jakauma I δx tarkoittaa pistemassaa pisteessä x ∈ {0, 1/2, 1} Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Konvergenssityyppien Tulkinta I Tyyppi I muistuttaa paksuhäntäistä käyttäytymistä: I I I L(Zd ) → 12 δ0 + 12 δ1 Jos summa X1 + X2 on suuri, niin toinen muuttujista on suuri Tyyppi II vastaa kevythäntäistä käyttäytymistä: I I L(Zd ) → δ 1 2 Molemmat muuttujista X1 ja X2 tuottavat suunnilleen puolet summasta Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Tavoite: I Etsiä muuttujien X1 ja X2 tiheysfunktioon f perustuva ehto, josta käyttäytymistyypin voi määrätä I Lähestymistapa: tutkitaan muuttujan Zd tiheyttä fZd , jonka voi laskea tiheyden f perusteella Muuttujan Zd jakauma ei välttämättä suppene mihinkään I I I Miten voidaan päätellä, että Zd suppenee johonkin? Miten voidaan päätellä rajajakauma? Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Tulos: Oletus: X1 :n tiheys f on kahdesti derivoituva ja lopulta vähenevä I Jos L := lim sign x→∞ ja d2 log f (x) dx 2 ∈ {−1, 1} 0 f (dx) f 0 (d(1 − x)) = ∞, − lim d f (d(1 − x)) d→∞ f (dx) niin Zd konvergoi joko tyypin I tai II mukaisesti. I I Jos L = 1, eli f on log-konveksi −→ Tyyppi I Jos L = −1, eli f on log-konkaavi −→ Tyyppi II Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Tulkinta I I Pienen teknsisen lisäehdon vallitessa tiheysfunktion log-konkaavisuus tai log-konveksisuus määrää onko yhden suuren hypyn periaate voimassa vai ei Tiheysfunktion log-konkaavisuus/konveksisuus on vakuutusmatematiikassa tuttu vaatimus monissa yhteyksissä: I I f log-konkaavi → IFR f log-konkaavi → DFR Paksuhäntäiset jakaumat Paksuhäntäiset todennäköisyysjakaumat Yhden Suuren Hypyn Ilmiö Johtopäätökset I Yhden suuren hypyn ilmiö on liitetty lähes yksinomaan subeksponentiaalisiin jakaumiin I I I Kaikki paksuhäntäisiä Prosessi (Zd ) kuvaa yhden suuren hypyn periaatetta selvemmin (Zd ) tarjoaa konkreettisen alustan ilmiön tutkimukselle I I Tyypit I ja II liittyvät funktion log f konkaavisuuteen tai konveksisuuteen Ilmiö voi esiintyä myös paksuhäntäisten muuttujien luokan ulkopuolella Paksuhäntäiset jakaumat Yhteenveto Yhteenveto Tuloksista Edellä tarkasteltiin: I Diskonttausmallia I(Ȳ ) = min(I1 (A), I(B)) I Yhdistettyä mallia I(SN ) = min(I(X ), I(N)) I Yhden suuren hypyn periaatetta yleisesti I Määräytyy tiheyden log-konkaavisuudesta tai log-konveksisuudesta pienen teknisen lisäehdon vallitessa Paksuhäntäiset jakaumat Yhteenveto Keskeiset Ajatukset I Paksuhäntäisiä satunnaismuuttujia pidetään epäintuitiivisina ja hankalina I Koska klassinen teoria on johdettu kevythäntäisille muuttujille ja intuitio perustuu tähän I Todellisuudessa paksuhäntäiset muuttujat mahdollistavat monien sellaisten arkipäiväisten ilmiöiden matemaattisen mallintamisen, joita ei voi kuvata kevythäntäisillä muuttujilla I Paksuhäntäisten satunnaismuuttujien matemaattinen käsittely on täysin mahdollista, mutta aiempia malleja täytyy miettiä uudelleen Paksuhäntäiset jakaumat Yhteenveto Kiitos Mielenkiinnosta! Esitys perustuu artikkeleihin: Lehtomaa, J., 2015. Asymptotic behaviour of ruin probabilities in a general discrete risk model using moment indices. J. Theoret. Probab. DOI:10.1007/s10959-014-0547-y. Lehtomaa, J., 2015. Limiting behaviour of constrained sums of two variables and the principle of a single big jump. Statist. Probab. Lett. 107, 157-163. DOI:10.1016/j.spl.2015.08.017. Lehtomaa, J., 2015. Logarithmic asymptotics of tails of independently stopped random walks. Preprint.
© Copyright 2024