Окружающий мир полон неопределенностей, связанных с невозможностью точного предсказания будущих событий. Ошибаясь в прогнозах, мы рискуем получить не совсем то, или совсем не то, что ожидалось.
Вездесущая неопределенность является источником риска.
Математические модели, описывающие неопределенность, можно разделить на двр группы*
- вероятностные модели;
- модели нечетких множеств.
В настоящем курсе мы будем использовать только первый способ описания.
Часто нас интересует не столько исход того или иного процесса, сколько связанные с ним количественные характеристики. При этом риск может быть описан случайной величиной, или, в общем случае абстрактным случайным элементом.
Совокупность всех рисков будем обозначать X, и на начальном этапе ограничимся следующим определением.
Определение 1.1 Риском называется произвольная случайная величина.
Совокупность рисков, рассматриваемых совместно, часто обладает новыми свойствами, не присущими каждому из рисков в отдельности, поэтому введем понятие портфеля рисков V, как произвольного подмножества X.
Под страхованием понимается передача риска от одного носителя (страхователя) другому (специализированной организации - страховой компании, страховщику) за определенную плату, называемую ценой страхования, тарифной ставкой или страховой премией. Сущность страхования заключается в перераспределении риска между многими носителями; относительно однородную совокупность рисков будем называть страховым портфелем.
Рассмотрим некоторые виды страховых портфелей, использующиеся в дальнейшем.
Простейший страховой портфель
(1)
состоит из N рисков (случайных величин) X1, ...,XN, являющихся независимыми и одинаково распределенными; Х1 имеет бернуллиевское распределение
1 с вероятностью р,
О с вероятностью 1 р.
(2)
Хі
Содержательно для каждого риска страховое событие может наступить с вероятностью р, а убыток в результате наступления этого страхового события равен 1 (и одинаков для всех рисков).
Ясно, что риск портфеля
N
х = Е х
i=1
имеет биномиальное распределение с параметрами N, р:
P{X = к} = CkNрк(1 - p)(N-k), к = 0,1,N. (4)
Основные параметры этого распределения равны
EX = ^; DX = Np(1 - р). (5)
Простой страховой портфель
(6)
P = {Xi,...,Xn }
также состоит из N независимых рисков Xi,...,XN, однако их распределения несколько различаются:
Si с вероятностью р,
0 с вероятностью 1 р.
Xi
(7)
Содержательно для г-го риска страховое событие наступает с вероятностью р, а размер убытка в результате наступления этого события равен Si и, вообще говоря, неодинаков у различных рисков. Примером может служить страхование на случай смерти с величиной Si; определяемой страховой суммой г-го договора портфеля.
Распределение риска портфеля (3) в данном случае уже не имеет столь простого выражения, как (4), но его основные параметры все еще легко вычисляются:
(8)
EX = NpSN; DX = ^(1 p)S2N,
где
N N
-1^ Si; SN = N-1? Si2.
(9)
i=1
i=1
Реальный страховой портфель является дальнейшим усложнением простого портфеля; здесь допускаются произвольные размеры убытков из диапазона [0, Si]. Формальное описание этого портфеля таково: он состоит из N независимых рисков
P = {X1,...,Xn }, (Ю)
вероятность наступления страхового события по г-му риску по-прежнему равна р, а размер убытка, вызванного страховым событием описывается случайной величиной
Xi CiriSi;
где
с вероятностью р, с вероятностью 1 р
есть индикатор наступления страхового события по г-му риску, Si - страховая сумма (ответственность) по г-му риску, a r1, ...,rN - совокупность независимых одинаково распределенных случайных величин с функцией распределения Fr (v) = P{r1 v}.
Здесь распределение риска портфеля также не имеет простого явного выражения, но по известным параметрам распределения r1
m = Eri, т2 = Dri (11)
нетрудно подсчитать основные параметры риска портфеля (3):
EX = pmNSN, DX = pm2N§N[1 - p + т2/m2]. (12)
Упражнение 2.1 Вывести формулы (5), (8), (12) для параметров рассмотренных портфелей.
Одной из основных задач теории риска является определение цены, которую следует уплатить при передаче риска от одного носителя к другому. В страховании принято выражать страховую премию в долях от страховой суммы (ответственности) Si соответствующего риска. Таким образом, при размере премии T (одинаковом для всех рисков портфеля) абсолютный размер премии г-го риска оказывается равным TSi, а суммарная премия портфеля -
Q = TNSn . (13)
Попытаемся сначала сформулировать некоторые естественные принципы определения цены, и рассмотрим их действие на примере простейшего страхового портфеля.
3.1.1 Принцип безрискованности
В качестве первого принципа попытаемся назначить цену так, чтобы деятельность страховой компании была безрискованной, то есть, чтобы собранных премий (13) с вероятностью 1 хватало для покрытия всех страховых убытков портфеля. В случае простейшего портфеля максимальный размер убытка портфеля равен N, а вероятность его появления: pN 0, так что для выполнения этого требования необходимо обеспечить равенство Q = TN = N, откуда T = 1, т.е. абсолютный размер премии совпадает с ответственностью по риску. Ясно, что такое страхование является совершенно непривлекательным для страхователей, и его рассмотрение лишено смысла.
Нетрудно проверить, что данный вывод справедлив и для более сложных портфелей рисков (см. упражнение 3.1). Отсюда следует вывод:
Безрискованное ведение страхового бизнеса невозможно,
и, в частности, страховая премия должна удовлетворять неравенству T 1.
Попытаемся теперь обеспечить справедливостьпроцесса передачи рисков, т.е. эквивалентность финансовых обязательств партнеров. Поскольку размер страховой премии (финансового обязательства страхователя) детерминирован, а размер обязательства страховщика (возмещаемого страхового убытка) случаен, будем понимать равенство этих обязательств в среднем по портфелю: TN = EX, откуда, с учетом (5), T = р. Как мы увидим далее при рассмотрении процессов риска, такой размер премии является слишком малым, поскольку при многократном воспроизведении такого страхового портфеля с вероятностью 1 происходит разорение страховой компании.
Здесь проиллюстрируем этот эффект следующими соображениями. Зададимся вопросом: каков будет размер прибыли страховщика после т - кратного воспроизведения портфеля, сформированного по справедливому принципу. Прибыль j-ro портфеля представляет собой случайную величину Z= Q Xс EZ= 0 и D Z(j = а2 0. Поэтому искомая прибыль есть
Zm = Е Z(j) j=1
причем EZm = 0 и (в случае независимости портфелей) DZm = та2, т.е. прибыль m портфелей в среднем равна 0, но неопределенность в ее значении возрастает с ростом т, в частности, может достигнуть сколь угодно малого значения, приводя к разорению компании.
Таким образом, премия должна удовлетворять неравенству T р. Для более сложных портфелей (см. упражнение 3.2) вывод звучит следующим образом: премия должна превосходить размер среднего относительного убытка портфеля E(X/R), где R = Y^ Si - суммарная ответственность по портфелю.
В предыдущих пунктах мы убедились в том, что первые два принципа исчисления премии неработоспособны, и следует искать другие принципы, приводящие к значениям T е (р, 1) (для простейшего портфеля). Здесь рассмотрим принцип достаточного покрытия, сущность которого заключается в следующем: поскольку единичную вероятность покрытия будущих убытков портфеля X премиями Q обеспечить не удается, попытаемся обеспечить заданное значение этой вероятности: зафиксируем число а е (0,1) и будем определять премию T из уравнения
(14)
P{X Q} = а.
Пусть F - функция распределения риска портфеля: F(x) = P{X x}, F0 - функция распределения соответствующей центрированной и нормированной случайной величины (X EX) Д/DX. Тогда уравнение (14) приводится к виду
(15)
Fo ((Q EX )/у/Ш)
откуда, с учетом (13), (5), получаем
В случае большого объема портфеля N ссылка на центральную предельную теорему позволяет переписать (16) в виде
Р(1 - Р)
N
Ф-1 (а)
Ф-1(а)
(17)
pN
где Ф - функция стандартного нормального распределения.
Из (15) с использованием (8), (12), аналогично получаем выражения страховой премии для простого
Sn Р(1 Р) р-і.
SN 1 Ргр-lf \
Fo (а)
(18)
и реального
Sn ' Р( 1 Р + т2/m2) -1 / Sn 1 Р + т2/m2 -і
Fo (а) I (19)
T = Р + S-Sn
портфелей, соответственно. Здесь функция распределения F0 также может быть при большом объеме портфеля заменена на функцию стандартного нормального распределения.
Отметим, что именно формула (19), полученная нами здесь с использованием исключительно элементарных средств, рекомендована российским страховщикам нормативными документами [1] для расчетов страховой премии по всем видам страхования, отличным от страхования жизни (причем с заменой множителя 'Sn/Sn на произвольно выбранную постоянную 1.2). Вся излагаемая дальше теория еще ждет своего применения в практике российского страхового рынка.
Простейший страховой портфель является вполне однородным, а в простом и реальном допускаются различные величины страховых сумм S*, что приводит к неоднородности этих портфелей. Указанная неоднородность количественно определяется коэффициентом
np = Sn/Sn . (20)
Изучим здесь его возможные значения.
Предложение 3.1 Значения коэффициента неоднородности портфеля (20) лежат в интервале [1, vN].
Доказательство. Для удобства будем рассматривать значения np и покажем, что они лежат в [1, N].
Рассмотрим вспомогательную дискретную случайную величину C, принимающую значения S1,..., SN с вероятностями N-1. Для нее, очевидно, справедливо
EC = Sn , EC2 = SN,
так что
DC = SN SN 0,
0ТКуда np 1. Для нахождения верхней границы диапаз она значений np заметим, что максимизация np та неотрицательном ортанте R+ эквивалентна задаче оптимизациии покажем, что ее экстремальными точками могут быть только единичные орты RN, т.е. векторы вида S = (0,..., 0,1, 0,..., 0) с единицей на г-ш позиции (для каждого такого вектора, очевидно, f(Si,...,Sn) = 1). Действительно, пусть решением задачи (21) - (23) является точка S(0), некоторые координаты sj0),sk0) которой удовлетворяют неравенствам 0 Sj0) S(0) 1. Ввиду симметрии задачи можно считать
j к. Тогда при достаточно малых 5 точка S(1) = (..., Sj0 5,..., Sj:0 + 5,...) является допустимой в этой задаче иf (S(1)) f (S(0)) = 25(s?0) sj0)) + 252 0,
что противоречит экстремальности S(0). Значения же квадрата коэффициента неоднородности на единичных ортах равны, очевидно, N, что и требовалось, о
Упражнение 3.1 Показать для простого и реального портфелей, что принцип безрискованности дает значение цены страхования T =1.
Упражнение 3.2 Применить принцип эквивалентности к простом,у и реальному портфелям,. Показать, что страховая, премия должна превосходитъ разм,ер средних относительных убытков портфеля.
Упражнение 3.3 Датъ геометрическую интерпретацию доказательства предложения 3.1.
Риск есть состояние неопределенности, неполной информации относительно каких -либо событий в будущем. Чаще других для математического описания неопределенности используются следующие два способа:
- вероятностное описание;
- нечеткие (размытые) множества.
Второй способ предназначен для описания неопределенностей, присущих высказываниям на человеческих (неформализованных) языках.
Мы будем рассматривать только первый способ и, таким образом, определим риск, как состояние вероятностной неопределенности: будущие события нельзя предсказать точно, однако известно их вероятностное распределение.
В простейших случаях множество будущих событий конечно и риск представляется вероятностным распределением на конечном пространстве элементарных событий.
Пример 4.1 В эксперименте с подбрасыванием, монеты мы не можем точно предсказать исход этого эксперимента, однако множество всех возможных исходов конечно: О = {г,р} и известно вероятностное распределение на этом, множестве: каждый из исходов может появиться с вероятностью 1/2.
Часто нас интересуют не столько сами исходы эксперимента, сколько связанные с ними количественные значения; в этом случае риск описывается распределением некоторой случайной величины.
Пример 4.2 В условиях предыдущего примера монета может подбрасываться в процессе игры двух лиц, в которой первый игрок выигрывает или проигрывает единицу в зависим,ости от выпавшей стороны, монеты. Здесь риск описывается дискретной случайной величиной, принимающей значения ±1 с вероятностями 1/2.
Пример 4.3 Доходность финансового вложения в фиксированную ценную бумагу не может быть точно предсказана, заранее, однако всевозможные значения этой доходности могут быть описаны, случайной величиной с распределением,, полученным, статистическими методами по данным, о прошлом, поведении доходности данной ценной бумаги.
В более сложных случаях риск может описываться распределением случайного вектора, или, вообще говоря, распределением произвольного абстрактного случайного элемента; приведем строгое определение.
Пусть (О, Fb, P) - вероятностное пространство, (?, F) - измеримое пространство, где Fb, F - а-алгебры событий на О, ?, соответственно. Напомним, что случайным элементом ? на (О, Fb, P) со значениями в (?, F) называется измеримое (относительно пары а-алгебр Fb, F) отображение ? : О ^ ?.
Определение 4.1 Риском называется произвольный случайный элемент.
Пример 4.4 Пусть ? = R - вещественная прямая, F = B - а-алгебра, борел,веских множеств на R, тогда, риск есть случайная величина.
Пример 4.5 Пусть ? = Rn п-мерное пространство, F = B - а-алгебра, его борел,веских множеств, тогда, риск есть случайный вектор.
Пример 4.6 Пусть X - произвольное конечное множество, ? = 2х - совокупность всех его подмножеств, Fq - алгебра, всех подмножеств ?, тогда, ? есть случайное конечное абстрактное множество.
Вероятностное пространство (О, F, P) будем трактовать, как окружающую среду, а измеримое пространство (?, F) - как пространство результатов. Каждый случайный элемент ? порождает на (?, F) вероятностное распределение по правилу
P(T) = P{x ? О : ?(ш) ? T} = P{?-1 (T)}, T ? F, (24)
превращая его тем самым в вероятностное пространство (?, F ,P)- Будем обозначать P совокупность всех таких вероятностных рас пределений на (?, F )-
Упражнение 4.1 Приведите прим,ер нечеткого высказывания.
Упражнение 4.2 Приведите другие примеры рисков.
Упражнение 4.3 Совпадает ли совокупность распределений P с множеством всевозможных вероятностных распределений на, (?, F) ?
4.2.1 Отношение предпочтения
Определение 4.2 Отношение У на произвольном множестве Y называется отношением предпочтения, если оно рі) полно, т.е. Ух, у Е Y верно x У у или у У х; р2) транзитино, т.е. х У у, у У z ^ х У z.
Пример 4.7 Частным, случаем, отношения предпочтения является отношение полного упорядочения , удовлетворяющее аксиомам
01) Ух, у Е Y верно х у или у х (полнота);
02) х у, у z ^ х z (транзитивность);
03) х у, у х ^ х = у (антисимметричность).
Видно, что, в отличие от отношения порядка, отношение предпочтения не обладает, вообще говоря, свойством антисимметричности, т.е. из х У уиу^хне вытекает равенство х и у. Будем в этом случае называть х, у одинаково предпочтительными или эквивалентными и использовать для обозначения этого факта символ
х У у, у У х =^ х ~ у.
Замечание 4.1 Отметим здесь следующий факт: отношение одинаковой предпочтительности является в строгом, смысле отношением, эквивалентности, т.е. обладает свойствами, рефлексивности х ~ х, Ух Е Y, транзитивности х ~ у, у ~ z ^ х ~ z и симметричности х ~ у ^ у ~ х, причем порожденное им, фактор -множество У = Y/ ~ является вполне упорядоченным, множеством с отношением, порядка, У, индуцированным отношением предпочтения У на, Y: для Y1,Y2 Е У отношение Yi У Y2 означает, что для некоторых (и, тем, самым, для произвольных) уі Е Yi, у2 Е Y2 выполняет ея у1 У у2.
Если же х предпочтительнее у, а обратное неверно, то будем использовать символ строгого предпочтения У:
х У у, у У х =^ х У у.
Разумный индивидуум имеет четкое представление о системе своих предпочтений на пространстве результатов ?: для произвольной пары ?1,?2 Е ? он может вполне определенно сказать, какой из этих элементов является для него более предпочтительным, или же эти элементы эквивалентны. Если результаты (элементы ?) трактуются, как доходности, то ? является подмножеством вещественной оси и отношение предпочтения можно задавать с помощью обычного отношения порядка на множестве вещественных чисел.
В теории полезности делается более сильное предположение: индивидуум имеет систему предпочтений и на пространстве распределений V, т.е. для каждой пары распределений P1, P2 Е V может определенно указать более предпочтительное для него распределение или утверждать их эквивалентность. Таким образом, на V постулируется существование отношения предпочтения У. Замечательнейшим фактом теории полезности является существование (при некоторых вполне естественных предположениях) функции полезности, адекватно описывающей это отношение предпочтения.
Упражнение 4.4 Верно ли Ух G Y : x У х?
Упражнение 4.5 Показать, что отношение У, введенное на У в замечании Jhl, действительно является отношением порядка на У.
4.3.1 Система аксиом
Введем на P операцию смеси распределений: для произвольных Pi, P2 G P и числа a G [0,1] смесью P1 и P2 назовем распределение P G P, задаваемое соотношением
P(C) = aPi(C) + (1 - a)P2(C), C GC.
Будем предполагать выполненной следующую систему аксиом.
А1) На P существует отношение предпочтения У.
А2) Если P1 P2, то
АЗ) Если P1 У P2, to
A4) Если P3 У P2 У P1; то существуст a G (0,1) такое, что
Приведенные аксиомы можно трактовать, как требования наличия у отношения предпочтения некоторой регулярности, правильности.
4.3.2 Теорема существования
Прежде чем формулировать основную теорему, докажем несколько лемм.
Лемма 4.1 Пусть выполнены аксиомы А1-А4, P3 У P1 и P3 У P2 У Pk Тогда существует единственная постоянная a G [0,1] такая, что
P2 - aP1 + (1 a)P3. (28)
Доказательство. Заметим, что если P3 у P2 Pb то соотношение (28) выполняется при единственном значении a = 1 (см. упражнение 4.6).
Аналогично, если P3 P2 У P15 то (28) выполняется только при a = 0 (см. упражнение 4.7).
Пусть теперь P3 У P2 У P^ Тогда по аксиоме А4 существует a1 G (0,1) такое, что выполнено
Предположим, что такое 1 неединственно, и существует а2 ? (0,1), для которого
(30)
(31)
(32)
(33)
P2 ~ 2Рі + (1 2)Рз. Положим для определенности 0 а1 а2 1. Тогда
2 аі 1 2
Рз = Д2-1 Рз + -2 Рз
1 а1
1 а1
, -Г 2 і 1 2
2Рі + (1 2)Рз = іРі + (1 1) -Рі + --Рз
.1 а1
1 а1
Поскольку Рз У Р1; по аксиоме АЗ и (31) получаем
2 1 1 о 2 Ді 1 2 _
Рз = ^-1 Рз + -2Рз у -1 Рі + -2Рз.
1 1 1 1 1 1 1 1
Отсюда с использованием аксиомы АЗ и (32) получаем:
2 і 1 2-.-.
2 1 Рі + --2 Рз
А іРі + (1 і)Рз. (34)
2Рі + (1 2)Рз іРі + (1 і)
1 1
1 1
Это соотношение противоречит (29),(30), так что постоянная 1, для которой выполнено (29) - единственна, о
Лемма 4.2 Если выполнены аксиомы А1-А4, Рз А Р'2 А Р2 А Р1 м (Р2),
' (Р2) таковы, что
(35)
Р2 ~ Рі + (1 )Рз, Р2 ~ Рі + (1 )Рз, то ' (монотонность операции смешивания)
Доказательство. Пусть, напротив, '. Тогда, по аксиомам АЗ, А4 имеем:
Р2 ~ 'Рі + (1 о')Рз
_ 1 '
Р і + і-Г'Р з
1 '
Рі + ^-::Рз
+ ( )Рі А
+ ( )Р з
1 + '
Рі + (1 )Рз ~ Р2,
так что Р2 У Р'2 - противоречие. о
Теорема 4.3 Если выполнены аксиомы .1 / Л/,, то существует вещественнозначная функция U : ? ^ R, называем,ая функцией полезности, и такая, что для произвольных Р1, Р2 ? V соотношение Р2 А Р1 эквивалентно
EU(~і) EU(S2), (36)
где Д, S2 - случайные элементы, задающие распределения Р1, Р2 ? V, соответственно. Более того, функция U единственна с точностью до положительного аффинного преобразования.
Замечание 4.2 Теорема фЗ позволяет в качестве средства для сравнения рисков ? по предпочтительности использовать их ожидаемую полезность
u(?) = EU (?).
Доказательство теоремы 4.3 проведем в предположении конечности множества результатов: ? = ($i,...,0N). При этом каждое распределение P G P можно представить вектором P = (p1, ...,pN), так что Р{?*} = pi, i = 1, Рассмотрим рас
пределения P1 = (1, 0,0) P2 = (0,1,0), ..., PN = (0, 0,1). Без ограничения общности можем считать, что
Pn h ... У Pi. (37)
Если P1 г iP 2 *** PN, то утверждение теоремы тривиально (см. упражнение 4.8), поэтому сразу считаем PN у Pb Пусть A1,AN - произвольные постоянные с A1 An зададим U(?1) = А1; U(BN) = AN. Обозначим ai, i = 1,..., N те (по лемме
4.1 однозначно определенные) постоянные, при которых
Pi - aP 1 + (1 - ai)PN, i = 1, ...,N. (38)
Ясно, что a1 = 1, aN = 0. Определим
U(?і)= Ai = aiA 1 + (1 ai)An, i = 1,...,N. (39)
Покажем теперь, что так определенная функция U обладает свойством (36). Для произвольного распределения P = (p1, ...,pN) G P, как нетрудно заметить PN У P У P1 (см. упражнение 4.9), так что мы можем задать a(P) как (однозначно определенную) постоянную из [0,1], для которой
P - a(P)P1 + (1 a(P))PN. (40)
Из леммы 4.2 вытекает, что P' У P тогда и только тогда, когда a(P) a(P'). Из (38) имеем:
N N
P = J2 PiPi Pi [aiP 1 + (1
i=1 i=1
1 J2 PiaJ Pn.
(41)
i=1
Сравнивая (40) и (41), видим, что
N
a(P) = J2 PMi-
i= 1
Таким образом, P' У P тогда и только тогда, когда
N N
(42)
J2piai 13 Piai
i=1 i=1
Из (39) вытекает, что ai = (An Ai)/(AN A1); подставляя это в (42), заключаем, что P' У P тогда и только тогда, когда
^ / AN Ai ^ N AN Ai
2^Pia-T - Pi a-
i=1 An A1 i=1 An A1
или, что эквивалентно,
N N N N
Ai 13PiAi p'iU(?) 13PiU(?3
i=l
i=l
i=l
i=l
и (36) доказано.
Осталось показать, что U определено единственным образом с точностью до положительного аффинного преобразования. Пусть U* - другая функция полезности, удовлетворяющая (36). Обозначим А* = U*(?і), i = 1,..., N из (36) и (39) имеем:
U*(?і) = aiU*(?і) + (1 - ai)U*(?і),
откуда
AN - A* = An - Аг AN - A* An - Ai ’
так что
(AN - A*)An + AN - A* A An - Ai + An - Ai i
an - Ai An - Ai
A.
(an
Ai)
A*
an
A*
an
Таким образом, U* действительно является положительным аффинным преобразованием от U. о
Упражнение 4.6 Доказать, что в условиях леммы 4-1 условие P3 - P2 ~ Pi влечет выполнение (28) при единственном, значении a = 1.
Упражнение 4.7 Доказать, что в условиях леммы 4-1 условие Р3 ~ Р2 X Pi влечет выполнение (28) при единственном, значении a = 0.
Упражнение 4.8 Доказать, что если, в условиях теорем,ы 4-3 Pi iP 2 гч' ... гч' P N,
то ее утверждение справедливо.
Упражнение 4.9 Доказать, что если, в условиях теорем,ы, 4-3 справедливо (37), то для, произвольного распределения, P Е? имеет место PN У P У Pi.
Введем теперь в рассмотрение активного индивидуума. Пусть A обозначает множество его действий (решений), и поведение системы в целом описывается функцией X : Ах О ^ ?, измеримой относительно и при каждом фиксированном а Е A (т.е. {и Е О : X(а, и) Е F} Е F, F Е F), так что если индивидуум принял решение а Е А, а среда оказалась в (случайном) состоянии и Е О, то результатом действия а будет ? = X(а, и) Е ?.