基于copula函数的随机性期望赔付法-闫春.pdf
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1、第32卷第8期Vol32 No8统计与信息论坛Statistics&Information Forum2017年8月Aug,2017【统计理论与方法】基于Copula函数的随机性期望赔付法闰春,董婷婷,刘 倩(山东科技大学数学与系统科学学院,山东青岛266590)摘要:未决赔款准备金评估的随机性方法逐渐得到重视,而考虑赔款数据的相关性可提高准备金评估的精确性。在确定性期望赔付法的基础上,提出一种基于阿基米德Copula函数的随机性期望赔付法;在准备金评估中利用核密度估计实现进展因子的随机化,并在此基础上应用阿基米德Copula函数分析两类赔款数据相关性的问题;利用R软件模拟总损失准备金的分布,
2、研究表明该方法相比传统的期望赔付法具有更强的灵活性,其结果也更符合实际。关键词:期望赔付法;随机性方法;核密度估计;阿基米德Copula函数中图分类号:F84065:02119 文献标志码:A 文章编号:100731162017)08一o008一08一蚓言 黧毒器,笺篥誉霏霎銎篡警釜罨暑雾翼宰责任准备金是非寿险公司最主要的负债项目, 的期望赔付法在处理对于具有较长期的事故发生模决定着保险公司未来的偿付能力和盈利能力。通过 式和理赔模式的业务时应用得较为普遍。然而,当合理的评估方法计算出来的非寿险准备金可以增加 保险公司进入一个新的行业领域或开展一个新业收稿日期:2017一0120;修复日期;2
3、017一06一05基金项目:国家自然科学基金项目基于结构化大数据深度挖掘的非寿险保险公司经营风险模型研究(61502280)作者简介:闫春,女,山东邹城人,工学博士,副教授,研究方向:保险精算,大数据分析与处理,统计学;董婷婷,女,山东平度人,硕士生,研究方向:保险精算与风险管理;刘倩,女,山东枣庄人,硕士生,研究方向:保险精算与风险管理。P舭姗eters Estimati蛐of Mixture Reg啷si叩for Rep砌区眦tive Dispe体i伽M0delWU Liucang,KONG Xian分chao,DAI Lin(Faculty of science,KullIIling U
4、niversity of Science and Technology,Kunrning 650093,Chim)Abstract: With the development of social informatization, the varieties of data are becomingincreasingly diversified In the actual data analysis, the nonhomogeneous population is more preValentthan the honlogeneous population,so mixture regres
5、sion model is one of the most important statistical dataanalysis tools Reproductive dispersion model is more widespread distribution than the exponential family,so it is more applicable Based on this, we propose mixture of reproductiVe dispersion model, and theposition parameters are modeled The max
6、imum likelihood estimation of the modeI parameters is studiedby EM algo“thm Finally,Monte Carlo simulation and a real example show that the model and method iseffective and usefulKey words:miXture of reproductive dispersion model;EM algorithm;position parameters;maximumlikelihood estimation(责任编辑:郭诗梦
7、)8万方数据闫春,董婷婷,刘倩:基于Copula函数的随机性期望赔付法务,对于同类型索赔、业务或环境的改变使近期的历史数据与未来赔付的预测相关性减弱、数据并不适用于其他准备金估计方法时,也可以使用期望赔付法。在实务中,保险公司对于未决赔款准备金的评估传统上采用的是确定性方法,这类方法的缺陷是只能给出未决赔款准备金的一个估计,而不能得到估计的精度,这就无法度量未决赔款准备金提取不足或过量所带来的风险。国际上已经充分认识到仅仅使用确定性方法来评估未决赔款准备金是远远不够的,而解决估计精度问题的最好办法就是应用随机性模型。索赔准备金评估方法的最新发展趋势是考虑相依结构的两类多元评估随机性方法,即将基
8、于两类赔款数据之间的相关性和基于不同业务线之间的相依性体现在准备金评估的分析框架中。在采用严格的统计模型与方法模拟准备金的预测分布方面,国外学者更多关注于随机性Munich链梯法的研究,较新文献见Happ和Merz1|、Happ和Wnthrich幻的研究;Costa等人基于异方差回归模型,设计并实现用蒙特卡罗方法寻找可行的均方误差公式并预测IBNR准备金3。国内学者张连增、段白鸽创新性地研究了如何将已决赔款和已报案赔款数据的相关性引入到随机性准备金评估方法中,提出了两种基于相关性的随机性准备金进展法41;闫春等人在准备金进展法中考虑离群值的影响,对支付率和结转率的尾部数据加以修正,改善了最后两
9、个进展年的异常值不能被有效识别的情况5|。在分析变量相关性方面,李秋雨等人运用空间自相关理论分析经济增长、国内及入境旅游业发展的空间分布特征和时空演变格局,对旅游业发展与经济增长关系进行了探究6。由于Copula函数在分析变量间的相关性方面有很大的优势,这种方法已经成为衡量变量间相依性的有力工具。Zhao等人使用半竞争风险Copula和半生存Copula模型,分析了在个体索赔损失模型中索赔事件时间和延迟的依赖结构73;Shi等人通过Copula回归模型解决了两个业务线在相依情况下的准备金评估问题83;Jong通过Copula函数和因子分析法研究了多个业务线的准备金评估问题93;Zhao等人基于
10、Copula理论用独立删失模型研究长期医疗成本,采用两步估计法得到医疗费用以及Copula相依参数的估计103;Li等人利用Copula函数对洪水事件进行概率建模,有效地分析了洪水发生的频率1妇;Tang等人应用基于Copula的GARCH模型分析了旅游需求和汇率之间的依赖关系,提出评估汇率在国际旅游需求模型中的作用的方法123;刘新红、孟生旺在假设各个业务线的增量已决赔款服从伽马分布、逆高斯分布和对数正态分布的基础上,建立了各个业务线增量已决赔款相互依赖的藤Copula回归模型,并将此模型应用于一组实际的车险数据”3;胡晓伟等人用多元正态Copula模型的研究方法,提出多元tCopula模型
11、,利用不同业务的损失流量三角形,从理论和实际数据等方面研究不同业务间的相关性14;陈欣等人将Copula方法应用于随机性准备金进展法,对未决赔款准备金进行了更加有效地估计1司;巢文等人基于巨灾损失具有厚尾分布的特征,采用POT极值模型分别估计两个保险标的的边缘分布,并用二元Copula函数刻画这两个保险标的的关联性1 6|。期望赔付法对于具有较长期的事故发生模式和理赔模式的业务,应用得更为普遍。考虑到上述研究都未曾考虑在期望赔付法中加入两类数据的相关性的问题,而COpula函数能较好地衡量变量问的相关性,故将其应用于非寿险多元索赔准备金评估的期望赔付法中。在已有研究中,大部分用BOOtstra
12、p法来实现评估方法的随机化并且假设数据分布已知,而未决赔款准备金的分布经常是不确定的。考虑到非参数核密度估计方法可以对未知的边际密度进行估计,尝试用核密度估计的方法,在期望赔付法的基础上加入随机因素,通过核密度非参数估计对进展因子实现随机化形成随机性期望赔付法,并将已付和已报案赔款数据的相关性通过阿基米德COpula函数形式体现,使模型能够更好地拟合现实情况。二、期望赔付法期望赔付法是利用期望赔付率对最终赔付额进行估计的方法。期望赔付率是赔款与保费之比,但值得注意的是期望赔付率定义的概念范畴,由于赔款可以是已付赔款或预测的最终赔款,保费可以是承保保费或已赚保费,因此对于赔款和保费的不同选择将会
13、导致不同的赔付率计算结果。期望赔付法对于具有较长期的事故发生模式和理赔模式的业务应用得更为普遍,期望赔付法的数据组织形式可以由事故年、报告年、保单年、承保年和日历年等构成。以保险公司的已赚取保费为标准,期望赔付率按已报案赔款和已付赔款可以分别求得已报案赔款9万方数据统计与信息论坛期望赔付率和已付赔款期望赔付率,用公式表示为:已报案赔款期望赔付率一已报案赔款已赚保费 (1)已付赔款期望赔付率一已付赔款已赚保费 (2)期望赔付法的关键假设是精算师从基于先验(或最初)估计中得到关于总未赔付的估计值,要优于从历史理赔经验中得到的估计值。在某些情况下,对于最终理赔的估计,历史理赔经验提供的信息要少于先验
14、估计的信息。用赔付率法估计未决赔款准备金的基本公式为:未决赔款准备金一已赚保费赔付率一已决赔款 (3)期望赔付法的基本步骤:步骤一:根据累计的已报案数据Ii,和已付数据Pj,的流量三角形,计算进展因子:脯。一半。=铲 (4)“J 1 l,J选取合适方式处理进展因子,本文用平均值代替:,r1 r1兵去蚤腑,仁去蚤殍咐- (5)其中最终事故年及以后的进展因子因缺少数据用l代替。步骤二:根据调整后的进展因子算出最终赔付进展因子CDF,其计算式将已经选定的进展因子从后向前依次进行连乘:一1一1cDFk尸CDFP一广 (6)步骤三:选取已报案赔款和已付赔款的对角线元素,乘以各自的最终赔付进展因子,得到已
15、报案赔款的预测值砰和已付赔款的预测值P;,其中1i靠,1歹”,取二者的平均值,得到最终赔付预测值G: Cm一掣(1m)(7)步骤四:已付赔款的预测值群除以已赚保费得赔付率的估计值芎,取平均得到最终的期望赔付率:DP哼一 (1歹以) (8)oj疗r一止(1歹竹) (9)步骤五:对最终期望赔付进行预测:未决赔款准备金=已赚保费*赔付率一已决赔款,加总得到1 O总未决赔款准备金IBNR:生IBNR一:(S。rP) (10)五三、基于核密度估计的随机性期望赔付法在已有的涉及到随机陛的准备金模型研究中,常见的是用Bootstrap法来实现评估方法的随机化,并且有的方法假设赔款数据的分布为已知,而准备金评
16、估中赔款数据的分布经常是不确定的。鉴于对未知分布数据的边际密度可以用非参数核密度估计方法进行估计,本文引入核密度的方法来实现期望赔付法中进展因子的随机化。核密度估计是在概率论中用来估计未知的密度函数的方法,属于非参数检验方法之一,由Rbsenblatt(1955)和Emanuelen(1962)提出,又名Parzen窗(Parzen谢nd。w)。假设有规个数X。,X。,K是来自连续分布函数Fi(X)的同分布样本,那么R(Xi)的非参数核密度估计为:广X;Fi(Xi)一I(s)出 (11)而 五(引一去萋K(字)(12)其中K为核密度函数;矗为设定的窗宽,也是样本的光滑参数。核函数的选择比较广泛
17、,只要是满足对称性质的密度函数即可。核密度估计性能的优劣,取决于K的选择,常用的核函数有Uniform、Triangle、Gaussian、Epanechnikov。在实际的应用计算中,通常是根据样本确定核函数,当样本的数据量较大时,核函数的选取对于核密度函数的估计没有较大的影响。而本文选取的K是三角核函数,通过三角核函数得到准备金进展因子和残差数据的分布。引入核密度估计的随机性期望赔付法的具体步骤如下:步骤一:根据累计的已报案数据k和已付数据P的流量三角形,计算进展因子:臁,一半,层升一铲 (13)1 2J 1 zJ步骤二:在得出进展因子的基础上,利用三角核函数对两类进展因子进行估计,并根据
18、式(11)和(12)构造新的进展因子流量三角形:,知升-恐+,步骤三:重复第二部分中确定性期望赔付法的步骤二至步骤五,计算得到一次模拟中未决赔款准备金、最终损失和IBNR的均值估计。万方数据闫春,董婷婷,刘倩:基于COpula函数的随机性期望赔付法步骤四:对两类进展因子进行10 000次的模拟,重复确定I生的期望赔付法的步骤可以得到未决赔款准备金的预测分布,进而得到均值、标准差、分位数等。四、基于Copula函数考虑两类数据相关性的随机性期望赔付法通常来说,上三角累计已付赔款P与累计的已报案赔款J之间存在正相关性,在模拟未决赔款准备金过程中,为描述这种相关性,提出用二元分布来模拟两个流量三角形
19、残差的联合分布,进而得到累计已付赔款和累计已报案赔款数据的模拟分布。上述的随机性期望赔付法未曾考虑两类赔款数据之间的相关性,鉴于此将Copula函数与随机性期望赔付法相结合,用copula函数来体现已付赔款和已报案赔款数据的相关性,进而得到未决赔款准备金的预测分布以及均值、标准差、分位数等。(一)Copula模型C0pula函数是一种通过数据和单个变量的边缘分布函数来构造多个变量联合分布函数的统计学方法。C0pula理论由Suar于1959年提出,Sl【lar指出可以将任意个咒维联合累积分布函数分解为孢个边缘累积分布和一个Cbpula函数。COpula函数描述的是变量之间的相关陛,也就是说Co
20、pula函数实际上是一类将变量联合累积分布函数同变量边缘累积分布函数连接起来的函数,因此也有人称其为“连接函数”。Copula函数的定义为:两组随机变量X、y,其边际分布分别为F(z)和G(y),二者的联合分布为H(z,y),假设存在“,uo,1使得zr1(“),y一伊1(可)。根据Sklar定理可以确定唯一的Copula函数C,使得一切实数集上的(z,3,)满足H(z,y)一C(F(z),G(3,), 而且C(“,u)一H(r1(“),伊1(口),其中C(“,础)满足性质:1对于“和秒,有C(“,0)一C(0,钉)一O,C(甜,1)一“,C(1,口)一w。2C(“,口)对任意的甜,口都是非减
21、的。本文在准备金的评估中,主要运用阿基米德Copula函数描述期望赔付法中已付赔款和已报案赔款之间的相关性。阿基米德Copula函数具有一定的代表性且可以构造出多种相依关系,并且在实例分析中较为容易模拟。常用的阿基米德Copula函数包括:Clayton Family、Gumbel Family和Frank Family,其表达式如下:C1(“,u;臼)一(沪+矿一1)亏口O (14)C2(甜,口;臼)一exp一(一ln乱)。+(一1n口)8)言)臼0 (15)C3(甜,口;臼)一一旷l。g1+鱼兰_二孑掣(16)其中甜和口是o,1上的均匀分布变量;口为描述两个变量间相依性关系的参数。(二)基
22、于阿基米德Copula函数考虑两类数据相关性的随机性期望赔付法步骤步骤一:将累计赔款数据L。只J转化为相应的增量赔款数据X;。和x,。步骤二:在得出增量数据的基础上构造相应的残差数据,求相应的样本均值X;和叉f、样本标准差盯;和叮f,对每列进行如下形式的标准化: ReS(,)一掣6 3Res(磁f)一鱼(17)乃第孢个进展年只有一个数据,均值是本身,标准差为o,因此设最后一个进展年咒的残差数据是o,然后进行计算。步骤三:调整残差:Res(X!,)一(咒+2)以Res(X!。) (18)Res(x#i)一T万于万。万Res(xi) (19)步骤四:在步骤三得到的调整后残差的基础上用非参数的核密度
23、方法来估计参数的边际函数;再由核密度的方法估计出联合密度函数。假设两类调整后的残差数据是来自未知二元分布函数F(z,zz)的一个样本,则F(z,z。)的基于乘积核的非参数二元核密度函数的估计为:肌。幽,一丢骞垂西(与警),步骤五:用平方欧式距离厶2来选取最优的阿基米德Copula函数,从而在最优的Copula函数中抽取随机数来模拟残差数据,平方欧式距离为:厶2一(FG)2 m,忌一1,2,3 (21)面选取最小d。2所对应的阿基米德Copula函数,即为最优的Copula函数。步骤六:在步骤四中确定的最优阿基米德C却ula函数中用R编程抽取随机数,实现对调整后残差的模拟;通过模拟的残差进行反演
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