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Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




                        Actuariat IARD - ACT2040
                          Partie 1 - introduction

                                         Arthur Charpentier
                                       charpentier.arthur@uqam.ca

                               http ://freakonometrics.hypotheses.org/




                                                Hiver 2013




                                                                         1
Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




                                                Plan du cours
•    Motivation et introduction : tarification et provisionnement
•    Mod´lisation de la survenance d’un sinistre
           e
◦    R´gressions logit et probit, Yi |X i ∼ B(π[X i β])
       e
◦    Les arbres de r´gression
                    e
•    Fr´quence de survenance de sinistres
        e
◦    R´gression de Poisson Yi |X i ∼ P(λ[X i β])
       e
◦    Surdispersion : quasi-Poisson, Binomiale N´gative & inflation de z´ros
                                                 e                    e
•    Coˆ ts individuels de sinistres
         u
◦    R´gressions Gamma et lognormale
       e
◦    ´
     Ecretement des grands sinistres, et mutualisation
•    Provisionnement pour sinistres ` payer a
◦    Les triangles de provisionnement
◦    M´thode de Mack
       e
◦    R´gression de Poisson
       e

                                                                             2
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                         Pr´rquis et ouvrages de r´f´rence
                           e                      ee
Ce cours suppose acquises les m´thodes vues au cours ACT6420, m´thodes de
                               e                               e
pr´vision.
  e




                                                                            3
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                                          L’h´t´rog´n´it´
                                             e e   e e e




                                                             4
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                                            La prime pure
Pour une variable de comptage

                             E(N ) =            nP(N = n) =          P(N > n)
                                          n∈N                  n∈N


Pour une variable continue positive

                          E(X) =                xf (x)dx =           P(X > x)dx
                                         x∈R+                 x∈R+

                                     ∞
o` P(X > x) = F (x) =
 u                                       f (t)dt.
                                   x




                                                                                  5
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                                            La prime pure
Plus g´n´ralement,
      e e
                                           E(X) =              xdF (x)
                                                         x∈R

o` F admet un nombre fini (ou d´nombrable) de discontinuit´ {d1 ≤ d2 ≤ · · · }.
 u                            e                          e
                           
                            F (d ) − F (d− ) si x = d
                                 n        n           n
                  dF (x) =
                               ˜
                            f (x) sinon

o`
 u
                               F (x) =             P(X = dn ) +           ˜
                                                                          f (t)dt
                                           dn ≤x                    t≤x

D´finition 1. Etant donn´ un risque X, la prime pure est πX = E[X].
 e                     e



                                                                                    6
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                          Exemples de calculs d’esp´rance
                                                   e
Pour les lois discr`tes classiques
                   e
                                  n k
• si N ∼ B(n, p), P(N = k) =           p [1 − p]n−k , alors E(X) = np,
                                  k
                                    k
                               −λ λ
• si N ∼ P(λ), P(N = k) = e           , alors E(X) = λ,
                                   k!
                                   Γ(r + k) r                           r[1 − p]
• si N ∼ N B(r, p), P(N = k) =                p [1 − p]k, alors E(X) =           ,
                                    k! Γ(r)                                 p
Pour les lois continues classiques
                                                       2
                                1              (x − µ)
• si N ∼ N (µ, σ 2 ), ϕ(x) = √        exp −               , alors E(X) = µ,
                             σ 2π                2σ 2
                                                              2
                  2                          1[ln(x) − µ]
• si N ∼ LN (µ, σ ), f (x) =        exp −    √       2
                                                           , alors
                              xσ 2π               2σ
                     σ2
  E(X) = exp µ +         ,
                      2
                                 α −β x
                            α−1 β e                      α
• si N ∼ G(α, β), f (x) = x             , alors E(X) = ,
                                 Γ(α)                    β

                                                                                     7
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                         Esp´rance pour une loi compos´e
                            e                         e
                                                                   N
Dans un mod`le collectif, on s’int´resse ` S =
           e                      e      a                              Xi si N ≥ 1, 0 sinon.
                                                                  n=1

Si les Xi sont i.i.d., ind´pendants de N , alors
                          e
                                                       +∞                      k
                   E[S] =          E[E(S|N )] =               Pr[N = k] · E         Xi
                                                       k=1                    i=1
                                      +∞
                             =              Pr[N = k] · k E[X1 ] = E[N ] · E[X1 ].
                                      k=1

o`
 u
• E[N ] est la fr´quence
                 e
• E[X1 ] est le coˆt moyen
                   u


                                                                                                8
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                            De l’esp´rance a la prime pure
                                    e
Pascal, Fermat ou Condorcet (XVIII`me si`cle) proposaient d’´valuer le “produit
                                       e e                  e
scalaire des probabilit´s et des gains”,
                       e
                                                       n
                                     < p, x >=                pi xi = EP (X),
                                                      i=1

selon la “r`gle des parties”.
           e
=⇒ garantie un ´quilibre du syst`me, en moyenne.
               e                e
L’esp´rance math´matique est un prix “juste” (Feller (1943)),
     e          e
– moindres carr´s, E(X) = argmin{ X − c L2 , c ∈ R}
                e
                           X1 + ... + Xn P
– loi des grands nombres,                → E(X),
                                 n
                           X1 + ... + Xn L          V ar(X)
– th´or`me central limite,
     e e                                 ∼ N E(X), √        ,
                                 n                      n
                               X1 + ... + Xn
– probabilit´ de ruine, lim P
             e                               > π = 1 pour π < E(X).
                       n→∞            n

                                                                                9
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                            De l’esp´rance a la prime pure
                                    e
Remarque : Paradoxe de Saint P´tersbourg : l’esp´rance de gain est infinie,
                              e                 e
                ∞                                             ∞                 ∞
                                                                     1
                     P(arrˆt au ni`me coup) · 2n =
                          e       e                                    · 2n =         1 = ∞.
               i=1                                            i=1
                                                                    2n          i=1


Peut-ˆtre pas forc´ment le m´thode la plus intuitive, pour les grands risques...
     e            e         e




                                                                                               10
Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




                         La prime pure - sans segmentation
Pour tarifer, il est raisonnable de choisir une constante c “la plus proche” de la
variable al´atoire S, i.e. c qui minimise E([S − c]2 ). Or
           e

  E([S − c]2 ) = E([S − E(S) + E(S) − c]2 ) = E([S − E(S)]2 ) + E([E(S) − c]2 )+0

i.e.
               E([S − c]2 ) = [E(S) − c]2 + quelque chose ind´pendant de c.
                                                             e

donc E([S − c]2 ) est minimal pour c = E(S).
Remarque : cf m´thode des moindres carr´s dans le cours de pr´vision.
               e                       e                     e




                                                                                11
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                             L’exc´dant moyen de sinistre
                                  e
L’exc´dant moyen de sinistre (encore appel´ dur´e de vie moyenne restante en
     e                                    e    e
assurance sur la vie) est d´fini par
                           e

                       eX (x) = E[X − x|X > x]
                                                        +∞
                                            1
                                   =                          (s − x)dFX (s), x ≥ 0.
                                         F X (x)      s=x




                                                                                       12
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                            L’exc´dant moyen de sinistre
                                 e
               Loi de probabilit´
                                e                           eX (x)
                                                               1
               E(λ)
                                                               θ
                                                    α 1 − Γ(α + 1, βx)
               G(α, β)                                                 −x
                                                    β 1 − Γ(α, βx)
                                                             ln(x) − µ − σ 2
                                                         Φ
                                                       2            σ
               LN (µ, σ 2 )                  exp(µ + σ )                       −x
                                                      2         ln(x) − µ
                                                           Φ
                                                                    σ
                                                            x0 + x
               Pareto(α, x0 )
                                                            α−1




                                                                                    13
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                  Primes stop-loss (contrat avec franchise)
Etant donn´ un risque X, la prime stop-loss pour une franchise d ≥ 0 est d´finie
          e                                                               e
par
                     πX (d) = E[(X − d)+ ] = eX (d)F (d)..

Un trait´ de r´assurance stop-loss (ou exc´dent de perte) consiste ` faire prendre
        e     e                             e                         a
en charge par le r´assureur la partie de la charge totale S des sinistres qui d´passe
                  e                                                            e
une certaine somme d. La portion r´assur´e, not´e S R , est donc d´finie par
                                     e      e     e                  e
                                         
                                          0, si S ≤ d,
                      S R = (S − d)+ =
                                          S − d, si S > d.


La prime pure que la c´dante devra verser au r´assureur pour un tel contrat,
                       e                      e
appel´e prime stop-loss, est donn´e par
     e                           e

                                           E[S R ] = E[(S − d)+ ].

                                                                                 14
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D´finition 2. Etant donn´ un risque X, la prime stop-loss pour une r´tention
  e                    e                                           e
t ≥ 0 est d´finie par
           e
                          πX (t) = E[(X − t)+ ].

La fonction πX est encore appel´e la transform´e stop-loss de la variable al´atoire
                               e              e                             e
X.
Proposition 3. La transform´e stop-loss peut s’exprimer
                           e
                                                         +∞
                                        πX (t) =              F X (x)dx.
                                                       x=t



Proposition 4. Supposons E[X] < +∞. La transform´e stop-loss πX poss`de les
                                                e                   e
propri´t´s suivantes :
      ee
(i) elle est d´croissante et convexe.
              e
(ii) limt→+∞ πX (t) = 0 et limt→−∞ {πX (t) + t} = E[X].


                                                                               15
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                                         Primes d’Esscher
D´finition 5. Etant donn´ un risque X, la prime d’Esscher de param`tre α est
  e                    e                                         e
d´finie par
 e
                               EP (XeαX )
                      πX (α) =        αX )
                                           = EQ (X),
                                EP (e
o` sous Q, la fonction de r´partition de X qui s’´crivait auparavant (sous P)
 u                         e                      e
FX (·) devient ici
                                        eα· dFX (·)
                             GX (·) =                .
                                         eαt dFX (t)
                                                         R




                                                                                16
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     H´t´rog´n´it´ d’un portefeuille avec information parfaite
      e e   e e e
Consid´rons une assurance voyage, avec les indemnit´es
      e                                             e
– pays A, $ 250 avec probabilit´ 10%
                                e
– pays B, $ 250 avec probabilit´ 20%
                               e
La d´pense sera, conditionnelle ` la destination
    e                           a
                           
                            0, avec la probabilit´ 0.9,
                                                  e
                     SA =
                            250, avec la probabilit´ 0.1
                                                     e
et                                 
                                    0, avec la probabilit´ 0.8,
                                                          e
                              SB =
                                    250, avec la probabilit´ 0.2.
                                                            e

Si la destination n’est pas observ´e
                                  e
                             
                              0, avec la probabilit´ 0.85,
                                                    e
                     SAB =
                              250, avec la probabilit´ 0.15.
                                                      e


                                                                     17
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  H´t´rog´n´it´ d’un portefeuille avec information parfaite
   e e   e e e
La prime pure
– sans segmentation sera E(SAB ) = 37.5
– avec segmentation sera E(SA ) = 25 ` destination de A et E(SB ) = 50 `
                                      a                                 a
   destination de B
S’il y a deux compagnies qui se font concurence, une qui segmente, l’autre pas...




                                                                              18
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                           H´t´rog´n´it´ et m´lange de loi
                            e e   e e e      e
Supposons qu’il existe un effet al´atoire Θ repr´sentant le niveau de risque
                                 e             e
(inconnu) d’un assur´ pris au hasard dans le portefeuille. On suppose que X
                     e
sachant Θ = θ admet pour loi Fθ . Alors

                         P(X ≤ x) = E[P(X ≤ x|Θ)] =               Fθ (x)dΠ(θ)
                                                              Ω

(moyenne des Fθ pond´r´e par dΠ).
                    ee




                                                                                19
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               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
D´finition 6. La variable al´atoire de comptage N est de loi de Poisson
 e                         e
m´lange de moyenne λ et de niveau de risque relatif Θ lorsque
 e

                                                      (λΘ)k
                   Pr[N = k]         =     E exp(−λΘ)
                                                        k!
                                               +∞
                                                             (λθ)k
                                     =              exp(−λθ)       dFΘ (θ), k ∈ N,   (1)
                                             θ=0               k!

o` FΘ est la fonction de r´partition de Θ, telle que E[Θ] = 1. On notera
 u                        e
MPoi(λ, FΘ ) ou MPoi(λ, Θ).




                                                                                     20
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               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
Consid´rons l’exemple classique des bons et mauvais conducteur,
       e
– pour les bons, N ∼ Poi(λθ1 )
– pour les mauvais, N ∼ Poi(λθ2 )
avec θ2 > 1 > θ1 .
Si la proportion de bons risques est ,
                          
                           θ , avec une probabilit´ ,
                                                    e
                              1
                     Θ=
                           θ2 , avec une probabilit´ 1 − ,
                                                    e

o` θ1 , θ2 et
 u                 sont contraints par

                                      E[Θ] = θ1 + (1 − )θ2 = 1.



                                                                  21
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               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
La probabilit´ qu’une police (dont on ne sait pas s’il s’agit d’un bon ou d’un
             e
mauvais risque) donne lieu ` k sinistres durant la p´riode de r´f´rence est alors de
                           a                        e           ee

                                     (λθ1 )k                     (λθ2 )k
               P[N = k] = exp(−λθ1 )         + (1 − ) exp(−λθ2 )         ,
                                       k!                          k!

Si Θ devient une variable al´atoire continue, de densit´ de probabilit´ fΘ alors
                            e                          e              e
                                            +∞
                                                          (λθ)k
                     Pr[N = k] =                 exp(−λθ)       fΘ (θ)dθ, k ∈ N.   (2)
                                          θ=0               k!




                                                                                   22
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               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
Soit N ∼ MPoi(λ, Θ), alors
                                           +∞     +∞
                                                                     (λθ)k
                      E[N ]      =                        k exp(−λθ)           dFΘ (θ)
                                         θ=0                           k!
                                                  k=0
                                             +∞
                                 =     λ          θdFΘ (θ) = λ.
                                           θ=0
et
                                     +∞        +∞
                                                      2         (λθ)k
               Var[N ]      =                        k exp(−λθ)              dFΘ (θ) − λ2
                                     θ=0                          k!
                                               k=0
                                     +∞
                            =              (λθ + λ2 θ2 )dFΘ (θ) − λ2 = λ + λ2 Var[Θ].
                                     θ=0
Comme
                                 Var[N ] = E[N ] + λ2 Var[Θ] > E[N ]
pour autant que Θ ne soit pas constant.

                                                                                            23
Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
Tout m´lange de Poisson implique donc une surdispersion des donn´es. La
       e                                                          e
fonction g´n´ratrice des probabilit´s de N ∼ MPoi(λ, Θ) et la tranform´e de
          e e                      e                                  e
Laplace de Θ sont li´es par la formule
                     e
                                    +∞
                  MN (z) =               exp(λθ(z − 1))fΘ (θ)dθ = LΘ (λ(1 − z)).   (3)
                                  θ=0


Si nous consid´rons que Θ ∼ G(α, α),
              e
                                                                    −α
                                                         λ(1 − z)
                                    MN (z) =          1+                 ,
                                                            α

qui est la fonction g´n´ratrice des probabilit´s associ´e ` la loi BN (α, α/(α + λ)).
                     e e                      e        e a
Les m´langes de Poisson sont identifiables, i.e. si N1 ∼ MPoi(λ, Θ1 ) et
     e
N2 ∼ MPoi(λ, Θ2 ) alors
                                                L             L
                                          N1 = N2 ⇒ Θ1 = Θ2 .

                                                                                   24
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               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
Les m´langes de Poisson jouissent d’une propri´t´ trs importante ´tablie par
     e                                        ee                 e
Shaked (1980) et connue comme le “Shaked’s Two Crossings Theorem”.
Proposition 7. Si N ∼ MPoi(λ, Θ) alors il existe deux valeurs enti`res
                                                                  e
0 ≤ k0 < k1 telle que

                                                    λk
                    Pr[N = k] ≥             exp(−λ)    pour k = 0, 1, . . . , k0 ,
                                                    k!
                                                    λk
                    Pr[N = k] ≤             exp(−λ)    pour k = k0 + 1, . . . , k1 ,
                                                    k!
                                                    λk
                    Pr[N = k] ≥             exp(−λ)    pour k ≥ k1 + 1.
                                                    k!




                                                                                       25
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                  M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                   e
>   library(stats4); library(MASS)
>   FREQUENCE=c(7840,1317,239,42,14,4,4,1)
>   x=rep(0:7,FREQUENCE)
>   table(x)
x
   0     1   2             3      4      5       6      7
7840 1317 239             42     14      4       4      1
> mean(x)
[1] 0.2143537
> var(x)
[1] 0.2889314




                                                                 26
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               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
> fitdistr(x,"poisson")
     lambda
  0.21435366
 (0.00475989)
> fitdistr(x,"negative binomial")
      size           mu
  0.701486138   0.214355746
 (0.062786579) (0.005438638)
Messages d’avis :
1: In dnbinom_mu(x, size, mu, log) : production de NaN
2: In dnbinom_mu(x, size, mu, log) : production de NaN
3: In dnbinom_mu(x, size, mu, log) : production de NaN
> library(vcd)
> model.poisson=goodfit(x,type="poisson",method="ML")




                                                              27
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               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
> model.poisson

Observed and fitted values for poisson distribution
with parameters estimated by ‘ML’

count observed               fitted
    0     7840             7635.622
    1     1317             1636.724
    2      239             175.4188
    3       42             12.53389
    4       14             0.671671
    5        4             0.028795
    6        4             0.001028
    7        1             0.000031




                                                              28
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               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
> model.poisson

> summary(model.poisson)

           Goodness-of-fit test for poisson distribution

                      X^2 df   P(> X^2)
Likelihood Ratio 302.484 6 2.401523e-62
> plot(model.poisson)




                                                              29
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               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
> model.nb=goodfit(x,type="nbinomial",method="ML")
> model.nb

Observed and fitted values for nbinomial distribution
with parameters estimated by ‘ML’

count observed       fitted
    0     7840 7847.0055590
    1     1317 1288.3613321
    2      239 256.5374241
    3       42   54.0688144
    4       14   11.7105586
    5        4    2.5772550
    6        4    0.5732035
    7        1    0.1284389




                                                              30
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               M´lange de loi de Poisson et surdispsersion
                e
> summary(model.nb)

           Goodness-of-fit test for nbinomial distribution

                      X^2 df  P(> X^2)
Likelihood Ratio 17.00285 5 0.00449439
> plot(model.nb)




                                                              31
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                                Segmentation en assurance


D´finition 8. On qualifie de segmentation toute technique que l’assureur utilise
  e
pour diff´rencier la prime, et ´ventuellement aussi la couverture, en fonction
         e                    e
d’un certain nombre de caract´ristiques sp´cifiques du risque ` assurer, et ce afin
                              e             e                 a
de parvenir ` une meilleure concordance entre les coˆts qu’une personne
            a                                         u
d´termin´e met ` charge de la collectivit´ des preneurs d’assurance et la prime
 e       e      a                         e
que cette personne doit payer pour la couverture offerte. Dans certains cas, cela
peut impliquer que l’assureur refuse le risque ` assurer.
                                               a




                                                                             32
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                 Segmentation et esp´rance conditionnelle
                                    e
Si N ∼ MPoi(λ, Θ), la fonction de r´partition de Θ sachant que N = n, not´e
                                   e                                     e
FΘ (·|n),

                                                  Pr[Θ ≤ t, N = n]
                             FΘ (t|n) =
                                                     Pr[N = n]
                                                    t          (λθ)n
                                                    0
                                                      exp(−λθ) n! dFΘ (θ)
                                           =                    (λθ)n
                                                   R+
                                                       exp(−λθ) n! dFΘ (θ)
                                                    t
                                                    0
                                                      exp(−λθ)θn dFΘ (θ)
                                           =                     n dF (θ)
                                                                          .
                                                   R+
                                                       exp(−λθ)θ      Θ

On peut alors en calculer l’esp´rance :
                               e

                                     E[Θ|N = n] =                  θdFΘ (θ|n)
                                                              R+




                                                                                33
Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




                 Segmentation et esp´rance conditionnelle
                                    e
qui donne finalement
                                                     t
                                           exp(−λθ)θn+1 dFΘ (θ)
                                                     0
                            E[Θ|N = n] =                n dF (θ)
                                                                 .
                                         θ∈R+
                                              exp(−λθ)θ     Θ




                                                                     34
Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




                  Segmentation et esp´rance conditionnelle
                                     e
On v´rifie ais´ment que l’esp´rance conditionnelle poss`de les propri´t´s
      e       e               e                           e              ee
suivantes : quelles que soient les variables al´atoires X1 , X2 et X3 , et la constante
                                               e
r´elle c,
 e
 (i) E[c|X1 = x1 ] = c quel que soit x1 ∈ R.
(ii) E[X1 + X2 |X3 = x3 ] = E[X1 |X3 = x3 ] + E[X2 |X3 = x3 ] quel que soit x3 ∈ R.
(iii) E[cX1 |X2 = x2 ] = cE[X1 |X2 = x2 ], quel que soit x2 ∈ R.
(iv) quelle que soit la fonction g, E[g(X1 , X2 )|X2 = x2 ] = E[g(X1 , x2 )|X2 = x2 ]
     quel que soit x2 ∈ R.
(v) si X1 et X2 sont ind´pendantes alors E[X1 |X2 = x2 ] = E[X1 ].
                        e




                                                                                    35
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                 Segmentation et esp´rance conditionnelle
                                    e
A moins que X1 et X2 ne soient ind´pendantes, la loi de X1 sachant X2 = x2
                                     e
d´pend de x2 . En particulier, E[X1 |X2 = x2 ] est une fonction de x2 , i.e.
 e

                                         E[X1 |X2 = x2 ] = h(x2 ).

On pourrait ainsi s’int´resser ` la variable al´atoire
                       e       a               e

                                            h(X2 ) = E[X1 |X2 ].

Proposition 9. La variable al´atoire E[X1 |X2 ] a mme moyenne que X1 :
                             e

                                          E E[X1 |X2 ] = E[X1 ].




                                                                               36
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                 Segmentation et esp´rance conditionnelle
                                    e

D´monstration. Lorsque X1 et X2 sont continues, cette ´galit´ s’´tablit comme
  e                                                   e     e e
suit :

             E E[X1 |X2 ]          =               E[X1 |X2 = x2 ]f2 (x2 )dx2
                                           x2 ∈R

                                   =                           x1 f1|2 (x1 |x2 )dx1 f2 (x2 )dx2
                                           x2 ∈R       x1 ∈R

                                   =                          x1 fX (x1 , x2 )dx1 dx2
                                           x2 ∈R    x1 ∈R

                                   =               x1 f1 (x1 )dx1 = E[X1 ].
                                           x1 ∈R

Le raisonnement est similaire dans les cas discret et mixte.



                                                                                                  37
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                 Segmentation et esp´rance conditionnelle
                                    e
Epinglons ` pr´sent une caract´ristique remarquable de l’esp´rance
          a e                   e                           e
conditionnelle, qui peut tre prise comme d´finition g´n´rale de ce concept.
                                          e         e e
Proposition 10. Quelle que soit la fonction h : R → R, nous avons

                                   E h(X2 ) X1 − E[X1 |X2 ]        = 0.



D´monstration. La Propri´t´ 9 nous permet d’´crire
 e                      ee                  e

                                  E h(X2 ) X1 − E[X1 |X2 ]

                            =     E E h(X2 ) X1 − E[X1 |X2 ] X2

                            =     E h(X2 )E          X1 − E[X1 |X2 ] X2   = 0,

ce qui ach`ve la v´rification du r´sultat annonc´.
          e       e              e             e

                                                                                 38
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On peut voir X1 − E[X1 |X2 ] comme un r´sidu (c’est-`-dire comme la partie de
                                         e          a
X1 que ne parvient pas ` expliquer X2 ).
                       a
Ceci garantit que E[X1 |X2 ] est le meilleur pr´dicteur de X1 au sens des moindres
                                               e
carr´s, comme l’indique le r´sultat suivant.
    e                       e
Proposition 11. La variable al´atoire h∗ (X2 ) = E[X1 |X2 ] est celle minimisant
                                  e
E[(X1 − h(X2 ))2 ] sur toutes les fonctions h.

D´monstration. Ecrivons
 e

       E[(X1 − h(X2 ))2 ]           = E[(X1 − E[X1 |X2 ] + E[X1 |X2 ] − h(X2 ))2 ]
                                    = E[(X1 − E[X1 |X2 ])2 ] +E[(E[X1 |X2 ] − h(X2 )2 ]
                                               ind´pendant de h
                                                  e

                                          +2 E[(X1 − E[X1 |X2 ])(E[X1 |X2 ] − h(X2 ))]
                                                 =0 par d´finition de l’esp´rance conditionnelle
                                                         e                e

sera minimum lorsque h(X2 ) = E[X1 |X2 ].


                                                                                                  39
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                 Segmentation et esp´rance conditionnelle
                                    e
Il n’y a bien entendu aucune raison de se limiter ` une seule variable
                                                  a
conditionnante, et on peut consid´rer un vecteur X de dimension n et d´finir
                                 e                                     e
E[X1 |X2 , . . . , Xn ].
D´finition 12. Consid´rons un vecteur al´atoire X de dimension n.
  e                      e                         e
L’esp´rance conditionelle E[X1 |X2 , . . . , Xn ] de X1 sachant X2 , . . . , Xn est la
     e
variable al´atoire h∗ (X2 , . . . , Xn ) telle que l’´galit´
           e                                         e     e

                         E h(X2 , . . . , Xn ){X1 − h∗ (X2 , . . . , Xn )} = 0,          (4)

est v´rifi´e pour toute fonction h : Rn−1 → R.
     e e




                                                                                         40
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                     Transfert de risque sans segmentation
Tentons ` pr´sent de formaliser le probl`me de la segmentation. Consid´rons un
         a e                             e                                   e
assur´ soumis ` un risque S, pr´lev´ au hasard au sein d’un portefeuille
     e         a                  e e
d’assurance. Supposons que toutes les caract´ristiques de l’assur´ influen¸ant le
                                              e                       e        c
risque soient reprises dans un vecteur al´atoire Ω = (Ω1 , Ω2 , . . .). La notation
                                          e
“om´ga” rappelle que le vecteur du mme nom contient toute l’information `
    e                                                                            a
propos de l’assur´, qu’elle soit observable ou non par l’assureur.
                  e
On peut imaginer que l’assureur ne tienne compte en aucune mani`re des
                                                                    e
caract´ristiques Ω de l’assur´, et lui r´clame donc une prime pure de montant
       e                       e         e
E[S], la mme que celle qu’il r´clame ` tous les assur´s du portefeuille. Dans ce
                                e      a              e
cas, la situation est telle que pr´sent´e au Tableau 1.
                                  e    e




                                                                                41
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                     Transfert de risque sans segmentation

                                                              Assur´s
                                                                   e    Assureur
                             D´pense
                              e                                E[S]     S − E[S]
                             D´pense moyenne
                              e                                E[S]        0
                             Variance                           0        Var[S]

 Table 1 – Situation des assur´s et de l’assureur en l’absence de segmentation.
                              e

L’assureur prend donc l’enti`ret´ de la variance des sinistres Var[S] ` sa charge,
                              e e                                       a
que celle-ci soit due ` l’h´t´rog´n´it´ du portefeuille, ou ` la variabilit´
                      a ee e e e                            a              e
intrins`que des montants des sinistres.
       e




                                                                                   42
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                  Segmentation avec information parfaite
A l’autre extrˆme, supposons que l’assureur incorpore toute l’information Ω dans
              e
la tarification. On serait alors dans la situation d´crite au Tableau 2.
                                                   e

                                                      Assur´s
                                                           e       Assureur
                   D´pense
                    e                                 E[S|Ω]      S − E[S|Ω]
                   D´pense moyenne
                    e                                   E[S]          0
                   Variance                       Var E[S|Ω]    Var S − E[S|Ω]

Table 2 – Situation des assur´s et de l’assureur dans le cas o la segmentation est
                             e
op´r´e sur base de Ω.
  ee

Contrairement au cas pr´c´dent, la prime pay´e par un assur´ pr´lev´ au hasard
                          e e                   e               e e e
dans le portefeuille est ` pr´sent une variable al´atoire : E[S|Ω] d´pend des
                         a e                      e                 e
caract´ristiques Ω de cet assur´.
      e                         e

                                                                                 43
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                  Segmentation avec information parfaite
Comme la variable al´atoire S − E[S|Ω] est centr´e, le risque assum´ par
                      e                            e                 e
l’assureur la variance du r´sultat financier de l’op´ration d’assurance, i.e.
                           e                       e
                                                                             2
                       Var S − E[S|Ω]              = E        S − E[S|Ω]
                                                                                 2
                                                   = E E        S − E[S|Ω]           Ω

                                                   = E Var[S|Ω] .

On assiste dans ce cas ` un partage de la variance totale de S (c’est-`-dire du
                         a                                            a
risque) entre les assur´s et l’assureur, mat´rialis´ par la formule
                       e                    e      e

                              Var[S] = E Var[S|Ω] + Var E[S|Ω] .
                                               →assureur          →assur´s
                                                                        e




                                                                                         44
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                  Segmentation avec information parfaite
Ainsi, lorsque toutes les variables pertinentes Ω ont ´t´ prises en compte,
                                                         ee
l’intervention de l’assureur se limite ` la part des sinistres due exclusivement au
                                       a
hasard ; en effet, Var[S|Ω] repr´sente les fluctuations de S dues au seul hasard.
                                 e
Dans cette situation id´ale, l’assureur mutualise le risque et il n’y a donc aucune
                        e
solidarit´ induite entre les assur´s du portefeuille : chacun paie en fonction de son
         e                        e
propre risque.




                                                                                 45
Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




                Segmentation avec information imparfaite
Bien entendu, la situation d´crite au paragraphe pr´c´dent est purement
                               e                    e e
th´orique puisque parmi les variables explicatives Ω nombreuses sont celles qui
  e
ne peuvent pas ˆtre observ´es par l’assureur. En assurance automobile par
                e            e
exemple, l’assureur ne peut pas observer la vitesse ` laquelle roule l’assur´, son
                                                    a                       e
agressivit´ au volant, ni le nombre de kilom`tres qu’il parcourt chaque ann´e.
          e                                 e                                 e
D`s lors, l’assureur ne peut utiliser qu’un sous-ensemble X des variables
  e
explicatives contenues dans Ω, i.e. X ⊂ Ω. La situation est alors semblable `
                                                                            a
celle d´crite au Tableau 3.
       e




                                                                                46
Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




                Segmentation avec information imparfaite

                                                         Assur´
                                                              e           Assureur
                      D´pense
                       e                                 E[S|X]         S − E[S|X]
                      D´pense moyenne
                       e                                      E[S]             0
                      Variance                      Var E[S|X]         E Var[S|X]

Table 3 – Situation de l’assur´ et de l’assureur dans le cas o la segmentation est
                              e
op´r´e sur base de X ⊂ Ω.
  ee

Il est int´ressant de constater que
          e

             E Var[S|X]             = E E Var[S|Ω] X                 + E Var E[S|Ω] X

                                    = E Var[S|Ω] + E Var E[S|Ω] X                    .   (5)

                                           mutualisation              solidarit´
                                                                               e



                                                                                         47
Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




                Segmentation avec information imparfaite
On peut interpr´ter cette d´composition du risque pris en charge par la
                 e           e
compagnie comme suit : l’assureur, lorsque tous les facteurs de risque ne sont pas
pris en compte, intervient pour r´parer les cons´quences fˆcheuses du hasard
                                  e              e          a
(premier terme de (5) traduisant la mutualisation du risque), mais doit aussi
prendre en charge les variations de la prime pure exacte E[S|Ω] qui ne sont pas
expliqu´es par les facteurs de risque X int´gr´s au tarif (second terme de (5),
         e                                  e e
traduisant la solidarit´ induite par une personnalisation imparfaite du montant
                       e
de la prime). En d’autres mots, en plus de contrer les mauvais coups du sort,
l’assureur doit ´galement supporter la variabilit´ des sinistres due aux
                e                                e
caract´ristiques des assur´s, non prises en compte par le tarif.
       e                   e




                                                                              48
Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




                Segmentation avec information imparfaite
Dans une tarification segment´e en fonction de X ⊂ Ω, le partage de la variance
                            e
de S s’effectue comme suit :

                       Var[S] = E Var[S|X] + Var E[S|X]

                                    = E Var[S|Ω] + E Var E[S|Ω] X

                                           mutualisation              solidarit´
                                                                               e

                                                              →assureur

                                          + Var E[S|X] .

                                                 →assur´s
                                                       e




                                                                                   49
Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013




                     Tarifications a priori et a posteriori
Toute l’id´e qui sous-tend la tarification d’exp´rience est que l’historique des
           e                                    e
sinistres r´v`le les caract´ristiques non observables des assur´s. Plus pr´cis´ment,
           e e             e                                    e         e e
si on note S les informations concernant la sinistralit´ pass´e des assur´s
                                                        e     e           e
disponibles pour l’assureur, l’information contenue dans (X, S) devient
comparable ` Ω, tant et si bien que E[S|X, S] devrait converger vers E[S|Ω]
             a
(dans un sens ` pr´ciser).
                a e




                                                                                50

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  • 2. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Plan du cours • Motivation et introduction : tarification et provisionnement • Mod´lisation de la survenance d’un sinistre e ◦ R´gressions logit et probit, Yi |X i ∼ B(π[X i β]) e ◦ Les arbres de r´gression e • Fr´quence de survenance de sinistres e ◦ R´gression de Poisson Yi |X i ∼ P(λ[X i β]) e ◦ Surdispersion : quasi-Poisson, Binomiale N´gative & inflation de z´ros e e • Coˆ ts individuels de sinistres u ◦ R´gressions Gamma et lognormale e ◦ ´ Ecretement des grands sinistres, et mutualisation • Provisionnement pour sinistres ` payer a ◦ Les triangles de provisionnement ◦ M´thode de Mack e ◦ R´gression de Poisson e 2
  • 3. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Pr´rquis et ouvrages de r´f´rence e ee Ce cours suppose acquises les m´thodes vues au cours ACT6420, m´thodes de e e pr´vision. e 3
  • 4. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 L’h´t´rog´n´it´ e e e e e 4
  • 5. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 La prime pure Pour une variable de comptage E(N ) = nP(N = n) = P(N > n) n∈N n∈N Pour une variable continue positive E(X) = xf (x)dx = P(X > x)dx x∈R+ x∈R+ ∞ o` P(X > x) = F (x) = u f (t)dt. x 5
  • 6. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 La prime pure Plus g´n´ralement, e e E(X) = xdF (x) x∈R o` F admet un nombre fini (ou d´nombrable) de discontinuit´ {d1 ≤ d2 ≤ · · · }. u e e   F (d ) − F (d− ) si x = d n n n dF (x) = ˜  f (x) sinon o` u F (x) = P(X = dn ) + ˜ f (t)dt dn ≤x t≤x D´finition 1. Etant donn´ un risque X, la prime pure est πX = E[X]. e e 6
  • 7. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Exemples de calculs d’esp´rance e Pour les lois discr`tes classiques e n k • si N ∼ B(n, p), P(N = k) = p [1 − p]n−k , alors E(X) = np, k k −λ λ • si N ∼ P(λ), P(N = k) = e , alors E(X) = λ, k! Γ(r + k) r r[1 − p] • si N ∼ N B(r, p), P(N = k) = p [1 − p]k, alors E(X) = , k! Γ(r) p Pour les lois continues classiques 2 1 (x − µ) • si N ∼ N (µ, σ 2 ), ϕ(x) = √ exp − , alors E(X) = µ, σ 2π 2σ 2 2 2 1[ln(x) − µ] • si N ∼ LN (µ, σ ), f (x) = exp − √ 2 , alors xσ 2π 2σ σ2 E(X) = exp µ + , 2 α −β x α−1 β e α • si N ∼ G(α, β), f (x) = x , alors E(X) = , Γ(α) β 7
  • 8. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Esp´rance pour une loi compos´e e e N Dans un mod`le collectif, on s’int´resse ` S = e e a Xi si N ≥ 1, 0 sinon. n=1 Si les Xi sont i.i.d., ind´pendants de N , alors e +∞ k E[S] = E[E(S|N )] = Pr[N = k] · E Xi k=1 i=1 +∞ = Pr[N = k] · k E[X1 ] = E[N ] · E[X1 ]. k=1 o` u • E[N ] est la fr´quence e • E[X1 ] est le coˆt moyen u 8
  • 9. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 De l’esp´rance a la prime pure e Pascal, Fermat ou Condorcet (XVIII`me si`cle) proposaient d’´valuer le “produit e e e scalaire des probabilit´s et des gains”, e n < p, x >= pi xi = EP (X), i=1 selon la “r`gle des parties”. e =⇒ garantie un ´quilibre du syst`me, en moyenne. e e L’esp´rance math´matique est un prix “juste” (Feller (1943)), e e – moindres carr´s, E(X) = argmin{ X − c L2 , c ∈ R} e X1 + ... + Xn P – loi des grands nombres, → E(X), n X1 + ... + Xn L V ar(X) – th´or`me central limite, e e ∼ N E(X), √ , n n X1 + ... + Xn – probabilit´ de ruine, lim P e > π = 1 pour π < E(X). n→∞ n 9
  • 10. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 De l’esp´rance a la prime pure e Remarque : Paradoxe de Saint P´tersbourg : l’esp´rance de gain est infinie, e e ∞ ∞ ∞ 1 P(arrˆt au ni`me coup) · 2n = e e · 2n = 1 = ∞. i=1 i=1 2n i=1 Peut-ˆtre pas forc´ment le m´thode la plus intuitive, pour les grands risques... e e e 10
  • 11. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 La prime pure - sans segmentation Pour tarifer, il est raisonnable de choisir une constante c “la plus proche” de la variable al´atoire S, i.e. c qui minimise E([S − c]2 ). Or e E([S − c]2 ) = E([S − E(S) + E(S) − c]2 ) = E([S − E(S)]2 ) + E([E(S) − c]2 )+0 i.e. E([S − c]2 ) = [E(S) − c]2 + quelque chose ind´pendant de c. e donc E([S − c]2 ) est minimal pour c = E(S). Remarque : cf m´thode des moindres carr´s dans le cours de pr´vision. e e e 11
  • 12. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 L’exc´dant moyen de sinistre e L’exc´dant moyen de sinistre (encore appel´ dur´e de vie moyenne restante en e e e assurance sur la vie) est d´fini par e eX (x) = E[X − x|X > x] +∞ 1 = (s − x)dFX (s), x ≥ 0. F X (x) s=x 12
  • 13. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 L’exc´dant moyen de sinistre e Loi de probabilit´ e eX (x) 1 E(λ) θ α 1 − Γ(α + 1, βx) G(α, β) −x β 1 − Γ(α, βx) ln(x) − µ − σ 2 Φ 2 σ LN (µ, σ 2 ) exp(µ + σ ) −x 2 ln(x) − µ Φ σ x0 + x Pareto(α, x0 ) α−1 13
  • 14. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Primes stop-loss (contrat avec franchise) Etant donn´ un risque X, la prime stop-loss pour une franchise d ≥ 0 est d´finie e e par πX (d) = E[(X − d)+ ] = eX (d)F (d).. Un trait´ de r´assurance stop-loss (ou exc´dent de perte) consiste ` faire prendre e e e a en charge par le r´assureur la partie de la charge totale S des sinistres qui d´passe e e une certaine somme d. La portion r´assur´e, not´e S R , est donc d´finie par e e e e   0, si S ≤ d, S R = (S − d)+ =  S − d, si S > d. La prime pure que la c´dante devra verser au r´assureur pour un tel contrat, e e appel´e prime stop-loss, est donn´e par e e E[S R ] = E[(S − d)+ ]. 14
  • 15. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 D´finition 2. Etant donn´ un risque X, la prime stop-loss pour une r´tention e e e t ≥ 0 est d´finie par e πX (t) = E[(X − t)+ ]. La fonction πX est encore appel´e la transform´e stop-loss de la variable al´atoire e e e X. Proposition 3. La transform´e stop-loss peut s’exprimer e +∞ πX (t) = F X (x)dx. x=t Proposition 4. Supposons E[X] < +∞. La transform´e stop-loss πX poss`de les e e propri´t´s suivantes : ee (i) elle est d´croissante et convexe. e (ii) limt→+∞ πX (t) = 0 et limt→−∞ {πX (t) + t} = E[X]. 15
  • 16. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Primes d’Esscher D´finition 5. Etant donn´ un risque X, la prime d’Esscher de param`tre α est e e e d´finie par e EP (XeαX ) πX (α) = αX ) = EQ (X), EP (e o` sous Q, la fonction de r´partition de X qui s’´crivait auparavant (sous P) u e e FX (·) devient ici eα· dFX (·) GX (·) = . eαt dFX (t) R 16
  • 17. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 H´t´rog´n´it´ d’un portefeuille avec information parfaite e e e e e Consid´rons une assurance voyage, avec les indemnit´es e e – pays A, $ 250 avec probabilit´ 10% e – pays B, $ 250 avec probabilit´ 20% e La d´pense sera, conditionnelle ` la destination e a   0, avec la probabilit´ 0.9, e SA =  250, avec la probabilit´ 0.1 e et   0, avec la probabilit´ 0.8, e SB =  250, avec la probabilit´ 0.2. e Si la destination n’est pas observ´e e   0, avec la probabilit´ 0.85, e SAB =  250, avec la probabilit´ 0.15. e 17
  • 18. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 H´t´rog´n´it´ d’un portefeuille avec information parfaite e e e e e La prime pure – sans segmentation sera E(SAB ) = 37.5 – avec segmentation sera E(SA ) = 25 ` destination de A et E(SB ) = 50 ` a a destination de B S’il y a deux compagnies qui se font concurence, une qui segmente, l’autre pas... 18
  • 19. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 H´t´rog´n´it´ et m´lange de loi e e e e e e Supposons qu’il existe un effet al´atoire Θ repr´sentant le niveau de risque e e (inconnu) d’un assur´ pris au hasard dans le portefeuille. On suppose que X e sachant Θ = θ admet pour loi Fθ . Alors P(X ≤ x) = E[P(X ≤ x|Θ)] = Fθ (x)dΠ(θ) Ω (moyenne des Fθ pond´r´e par dΠ). ee 19
  • 20. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e D´finition 6. La variable al´atoire de comptage N est de loi de Poisson e e m´lange de moyenne λ et de niveau de risque relatif Θ lorsque e (λΘ)k Pr[N = k] = E exp(−λΘ) k! +∞ (λθ)k = exp(−λθ) dFΘ (θ), k ∈ N, (1) θ=0 k! o` FΘ est la fonction de r´partition de Θ, telle que E[Θ] = 1. On notera u e MPoi(λ, FΘ ) ou MPoi(λ, Θ). 20
  • 21. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e Consid´rons l’exemple classique des bons et mauvais conducteur, e – pour les bons, N ∼ Poi(λθ1 ) – pour les mauvais, N ∼ Poi(λθ2 ) avec θ2 > 1 > θ1 . Si la proportion de bons risques est ,   θ , avec une probabilit´ , e 1 Θ=  θ2 , avec une probabilit´ 1 − , e o` θ1 , θ2 et u sont contraints par E[Θ] = θ1 + (1 − )θ2 = 1. 21
  • 22. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e La probabilit´ qu’une police (dont on ne sait pas s’il s’agit d’un bon ou d’un e mauvais risque) donne lieu ` k sinistres durant la p´riode de r´f´rence est alors de a e ee (λθ1 )k (λθ2 )k P[N = k] = exp(−λθ1 ) + (1 − ) exp(−λθ2 ) , k! k! Si Θ devient une variable al´atoire continue, de densit´ de probabilit´ fΘ alors e e e +∞ (λθ)k Pr[N = k] = exp(−λθ) fΘ (θ)dθ, k ∈ N. (2) θ=0 k! 22
  • 23. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e Soit N ∼ MPoi(λ, Θ), alors +∞ +∞ (λθ)k E[N ] = k exp(−λθ) dFΘ (θ) θ=0 k! k=0 +∞ = λ θdFΘ (θ) = λ. θ=0 et +∞ +∞ 2 (λθ)k Var[N ] = k exp(−λθ) dFΘ (θ) − λ2 θ=0 k! k=0 +∞ = (λθ + λ2 θ2 )dFΘ (θ) − λ2 = λ + λ2 Var[Θ]. θ=0 Comme Var[N ] = E[N ] + λ2 Var[Θ] > E[N ] pour autant que Θ ne soit pas constant. 23
  • 24. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e Tout m´lange de Poisson implique donc une surdispersion des donn´es. La e e fonction g´n´ratrice des probabilit´s de N ∼ MPoi(λ, Θ) et la tranform´e de e e e e Laplace de Θ sont li´es par la formule e +∞ MN (z) = exp(λθ(z − 1))fΘ (θ)dθ = LΘ (λ(1 − z)). (3) θ=0 Si nous consid´rons que Θ ∼ G(α, α), e −α λ(1 − z) MN (z) = 1+ , α qui est la fonction g´n´ratrice des probabilit´s associ´e ` la loi BN (α, α/(α + λ)). e e e e a Les m´langes de Poisson sont identifiables, i.e. si N1 ∼ MPoi(λ, Θ1 ) et e N2 ∼ MPoi(λ, Θ2 ) alors L L N1 = N2 ⇒ Θ1 = Θ2 . 24
  • 25. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e Les m´langes de Poisson jouissent d’une propri´t´ trs importante ´tablie par e ee e Shaked (1980) et connue comme le “Shaked’s Two Crossings Theorem”. Proposition 7. Si N ∼ MPoi(λ, Θ) alors il existe deux valeurs enti`res e 0 ≤ k0 < k1 telle que λk Pr[N = k] ≥ exp(−λ) pour k = 0, 1, . . . , k0 , k! λk Pr[N = k] ≤ exp(−λ) pour k = k0 + 1, . . . , k1 , k! λk Pr[N = k] ≥ exp(−λ) pour k ≥ k1 + 1. k! 25
  • 26. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e > library(stats4); library(MASS) > FREQUENCE=c(7840,1317,239,42,14,4,4,1) > x=rep(0:7,FREQUENCE) > table(x) x 0 1 2 3 4 5 6 7 7840 1317 239 42 14 4 4 1 > mean(x) [1] 0.2143537 > var(x) [1] 0.2889314 26
  • 27. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e > fitdistr(x,"poisson") lambda 0.21435366 (0.00475989) > fitdistr(x,"negative binomial") size mu 0.701486138 0.214355746 (0.062786579) (0.005438638) Messages d’avis : 1: In dnbinom_mu(x, size, mu, log) : production de NaN 2: In dnbinom_mu(x, size, mu, log) : production de NaN 3: In dnbinom_mu(x, size, mu, log) : production de NaN > library(vcd) > model.poisson=goodfit(x,type="poisson",method="ML") 27
  • 28. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e > model.poisson Observed and fitted values for poisson distribution with parameters estimated by ‘ML’ count observed fitted 0 7840 7635.622 1 1317 1636.724 2 239 175.4188 3 42 12.53389 4 14 0.671671 5 4 0.028795 6 4 0.001028 7 1 0.000031 28
  • 29. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e > model.poisson > summary(model.poisson) Goodness-of-fit test for poisson distribution X^2 df P(> X^2) Likelihood Ratio 302.484 6 2.401523e-62 > plot(model.poisson) 29
  • 30. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e > model.nb=goodfit(x,type="nbinomial",method="ML") > model.nb Observed and fitted values for nbinomial distribution with parameters estimated by ‘ML’ count observed fitted 0 7840 7847.0055590 1 1317 1288.3613321 2 239 256.5374241 3 42 54.0688144 4 14 11.7105586 5 4 2.5772550 6 4 0.5732035 7 1 0.1284389 30
  • 31. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 M´lange de loi de Poisson et surdispsersion e > summary(model.nb) Goodness-of-fit test for nbinomial distribution X^2 df P(> X^2) Likelihood Ratio 17.00285 5 0.00449439 > plot(model.nb) 31
  • 32. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation en assurance D´finition 8. On qualifie de segmentation toute technique que l’assureur utilise e pour diff´rencier la prime, et ´ventuellement aussi la couverture, en fonction e e d’un certain nombre de caract´ristiques sp´cifiques du risque ` assurer, et ce afin e e a de parvenir ` une meilleure concordance entre les coˆts qu’une personne a u d´termin´e met ` charge de la collectivit´ des preneurs d’assurance et la prime e e a e que cette personne doit payer pour la couverture offerte. Dans certains cas, cela peut impliquer que l’assureur refuse le risque ` assurer. a 32
  • 33. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation et esp´rance conditionnelle e Si N ∼ MPoi(λ, Θ), la fonction de r´partition de Θ sachant que N = n, not´e e e FΘ (·|n), Pr[Θ ≤ t, N = n] FΘ (t|n) = Pr[N = n] t (λθ)n 0 exp(−λθ) n! dFΘ (θ) = (λθ)n R+ exp(−λθ) n! dFΘ (θ) t 0 exp(−λθ)θn dFΘ (θ) = n dF (θ) . R+ exp(−λθ)θ Θ On peut alors en calculer l’esp´rance : e E[Θ|N = n] = θdFΘ (θ|n) R+ 33
  • 34. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation et esp´rance conditionnelle e qui donne finalement t exp(−λθ)θn+1 dFΘ (θ) 0 E[Θ|N = n] = n dF (θ) . θ∈R+ exp(−λθ)θ Θ 34
  • 35. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation et esp´rance conditionnelle e On v´rifie ais´ment que l’esp´rance conditionnelle poss`de les propri´t´s e e e e ee suivantes : quelles que soient les variables al´atoires X1 , X2 et X3 , et la constante e r´elle c, e (i) E[c|X1 = x1 ] = c quel que soit x1 ∈ R. (ii) E[X1 + X2 |X3 = x3 ] = E[X1 |X3 = x3 ] + E[X2 |X3 = x3 ] quel que soit x3 ∈ R. (iii) E[cX1 |X2 = x2 ] = cE[X1 |X2 = x2 ], quel que soit x2 ∈ R. (iv) quelle que soit la fonction g, E[g(X1 , X2 )|X2 = x2 ] = E[g(X1 , x2 )|X2 = x2 ] quel que soit x2 ∈ R. (v) si X1 et X2 sont ind´pendantes alors E[X1 |X2 = x2 ] = E[X1 ]. e 35
  • 36. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation et esp´rance conditionnelle e A moins que X1 et X2 ne soient ind´pendantes, la loi de X1 sachant X2 = x2 e d´pend de x2 . En particulier, E[X1 |X2 = x2 ] est une fonction de x2 , i.e. e E[X1 |X2 = x2 ] = h(x2 ). On pourrait ainsi s’int´resser ` la variable al´atoire e a e h(X2 ) = E[X1 |X2 ]. Proposition 9. La variable al´atoire E[X1 |X2 ] a mme moyenne que X1 : e E E[X1 |X2 ] = E[X1 ]. 36
  • 37. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation et esp´rance conditionnelle e D´monstration. Lorsque X1 et X2 sont continues, cette ´galit´ s’´tablit comme e e e e suit : E E[X1 |X2 ] = E[X1 |X2 = x2 ]f2 (x2 )dx2 x2 ∈R = x1 f1|2 (x1 |x2 )dx1 f2 (x2 )dx2 x2 ∈R x1 ∈R = x1 fX (x1 , x2 )dx1 dx2 x2 ∈R x1 ∈R = x1 f1 (x1 )dx1 = E[X1 ]. x1 ∈R Le raisonnement est similaire dans les cas discret et mixte. 37
  • 38. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation et esp´rance conditionnelle e Epinglons ` pr´sent une caract´ristique remarquable de l’esp´rance a e e e conditionnelle, qui peut tre prise comme d´finition g´n´rale de ce concept. e e e Proposition 10. Quelle que soit la fonction h : R → R, nous avons E h(X2 ) X1 − E[X1 |X2 ] = 0. D´monstration. La Propri´t´ 9 nous permet d’´crire e ee e E h(X2 ) X1 − E[X1 |X2 ] = E E h(X2 ) X1 − E[X1 |X2 ] X2 = E h(X2 )E X1 − E[X1 |X2 ] X2 = 0, ce qui ach`ve la v´rification du r´sultat annonc´. e e e e 38
  • 39. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 On peut voir X1 − E[X1 |X2 ] comme un r´sidu (c’est-`-dire comme la partie de e a X1 que ne parvient pas ` expliquer X2 ). a Ceci garantit que E[X1 |X2 ] est le meilleur pr´dicteur de X1 au sens des moindres e carr´s, comme l’indique le r´sultat suivant. e e Proposition 11. La variable al´atoire h∗ (X2 ) = E[X1 |X2 ] est celle minimisant e E[(X1 − h(X2 ))2 ] sur toutes les fonctions h. D´monstration. Ecrivons e E[(X1 − h(X2 ))2 ] = E[(X1 − E[X1 |X2 ] + E[X1 |X2 ] − h(X2 ))2 ] = E[(X1 − E[X1 |X2 ])2 ] +E[(E[X1 |X2 ] − h(X2 )2 ] ind´pendant de h e +2 E[(X1 − E[X1 |X2 ])(E[X1 |X2 ] − h(X2 ))] =0 par d´finition de l’esp´rance conditionnelle e e sera minimum lorsque h(X2 ) = E[X1 |X2 ]. 39
  • 40. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation et esp´rance conditionnelle e Il n’y a bien entendu aucune raison de se limiter ` une seule variable a conditionnante, et on peut consid´rer un vecteur X de dimension n et d´finir e e E[X1 |X2 , . . . , Xn ]. D´finition 12. Consid´rons un vecteur al´atoire X de dimension n. e e e L’esp´rance conditionelle E[X1 |X2 , . . . , Xn ] de X1 sachant X2 , . . . , Xn est la e variable al´atoire h∗ (X2 , . . . , Xn ) telle que l’´galit´ e e e E h(X2 , . . . , Xn ){X1 − h∗ (X2 , . . . , Xn )} = 0, (4) est v´rifi´e pour toute fonction h : Rn−1 → R. e e 40
  • 41. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Transfert de risque sans segmentation Tentons ` pr´sent de formaliser le probl`me de la segmentation. Consid´rons un a e e e assur´ soumis ` un risque S, pr´lev´ au hasard au sein d’un portefeuille e a e e d’assurance. Supposons que toutes les caract´ristiques de l’assur´ influen¸ant le e e c risque soient reprises dans un vecteur al´atoire Ω = (Ω1 , Ω2 , . . .). La notation e “om´ga” rappelle que le vecteur du mme nom contient toute l’information ` e a propos de l’assur´, qu’elle soit observable ou non par l’assureur. e On peut imaginer que l’assureur ne tienne compte en aucune mani`re des e caract´ristiques Ω de l’assur´, et lui r´clame donc une prime pure de montant e e e E[S], la mme que celle qu’il r´clame ` tous les assur´s du portefeuille. Dans ce e a e cas, la situation est telle que pr´sent´e au Tableau 1. e e 41
  • 42. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Transfert de risque sans segmentation Assur´s e Assureur D´pense e E[S] S − E[S] D´pense moyenne e E[S] 0 Variance 0 Var[S] Table 1 – Situation des assur´s et de l’assureur en l’absence de segmentation. e L’assureur prend donc l’enti`ret´ de la variance des sinistres Var[S] ` sa charge, e e a que celle-ci soit due ` l’h´t´rog´n´it´ du portefeuille, ou ` la variabilit´ a ee e e e a e intrins`que des montants des sinistres. e 42
  • 43. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation avec information parfaite A l’autre extrˆme, supposons que l’assureur incorpore toute l’information Ω dans e la tarification. On serait alors dans la situation d´crite au Tableau 2. e Assur´s e Assureur D´pense e E[S|Ω] S − E[S|Ω] D´pense moyenne e E[S] 0 Variance Var E[S|Ω] Var S − E[S|Ω] Table 2 – Situation des assur´s et de l’assureur dans le cas o la segmentation est e op´r´e sur base de Ω. ee Contrairement au cas pr´c´dent, la prime pay´e par un assur´ pr´lev´ au hasard e e e e e e dans le portefeuille est ` pr´sent une variable al´atoire : E[S|Ω] d´pend des a e e e caract´ristiques Ω de cet assur´. e e 43
  • 44. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation avec information parfaite Comme la variable al´atoire S − E[S|Ω] est centr´e, le risque assum´ par e e e l’assureur la variance du r´sultat financier de l’op´ration d’assurance, i.e. e e 2 Var S − E[S|Ω] = E S − E[S|Ω] 2 = E E S − E[S|Ω] Ω = E Var[S|Ω] . On assiste dans ce cas ` un partage de la variance totale de S (c’est-`-dire du a a risque) entre les assur´s et l’assureur, mat´rialis´ par la formule e e e Var[S] = E Var[S|Ω] + Var E[S|Ω] . →assureur →assur´s e 44
  • 45. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation avec information parfaite Ainsi, lorsque toutes les variables pertinentes Ω ont ´t´ prises en compte, ee l’intervention de l’assureur se limite ` la part des sinistres due exclusivement au a hasard ; en effet, Var[S|Ω] repr´sente les fluctuations de S dues au seul hasard. e Dans cette situation id´ale, l’assureur mutualise le risque et il n’y a donc aucune e solidarit´ induite entre les assur´s du portefeuille : chacun paie en fonction de son e e propre risque. 45
  • 46. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation avec information imparfaite Bien entendu, la situation d´crite au paragraphe pr´c´dent est purement e e e th´orique puisque parmi les variables explicatives Ω nombreuses sont celles qui e ne peuvent pas ˆtre observ´es par l’assureur. En assurance automobile par e e exemple, l’assureur ne peut pas observer la vitesse ` laquelle roule l’assur´, son a e agressivit´ au volant, ni le nombre de kilom`tres qu’il parcourt chaque ann´e. e e e D`s lors, l’assureur ne peut utiliser qu’un sous-ensemble X des variables e explicatives contenues dans Ω, i.e. X ⊂ Ω. La situation est alors semblable ` a celle d´crite au Tableau 3. e 46
  • 47. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation avec information imparfaite Assur´ e Assureur D´pense e E[S|X] S − E[S|X] D´pense moyenne e E[S] 0 Variance Var E[S|X] E Var[S|X] Table 3 – Situation de l’assur´ et de l’assureur dans le cas o la segmentation est e op´r´e sur base de X ⊂ Ω. ee Il est int´ressant de constater que e E Var[S|X] = E E Var[S|Ω] X + E Var E[S|Ω] X = E Var[S|Ω] + E Var E[S|Ω] X . (5) mutualisation solidarit´ e 47
  • 48. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation avec information imparfaite On peut interpr´ter cette d´composition du risque pris en charge par la e e compagnie comme suit : l’assureur, lorsque tous les facteurs de risque ne sont pas pris en compte, intervient pour r´parer les cons´quences fˆcheuses du hasard e e a (premier terme de (5) traduisant la mutualisation du risque), mais doit aussi prendre en charge les variations de la prime pure exacte E[S|Ω] qui ne sont pas expliqu´es par les facteurs de risque X int´gr´s au tarif (second terme de (5), e e e traduisant la solidarit´ induite par une personnalisation imparfaite du montant e de la prime). En d’autres mots, en plus de contrer les mauvais coups du sort, l’assureur doit ´galement supporter la variabilit´ des sinistres due aux e e caract´ristiques des assur´s, non prises en compte par le tarif. e e 48
  • 49. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Segmentation avec information imparfaite Dans une tarification segment´e en fonction de X ⊂ Ω, le partage de la variance e de S s’effectue comme suit : Var[S] = E Var[S|X] + Var E[S|X] = E Var[S|Ω] + E Var E[S|Ω] X mutualisation solidarit´ e →assureur + Var E[S|X] . →assur´s e 49
  • 50. Arthur CHARPENTIER - ACT2040 - Actuariat IARD - Hiver 2013 Tarifications a priori et a posteriori Toute l’id´e qui sous-tend la tarification d’exp´rience est que l’historique des e e sinistres r´v`le les caract´ristiques non observables des assur´s. Plus pr´cis´ment, e e e e e e si on note S les informations concernant la sinistralit´ pass´e des assur´s e e e disponibles pour l’assureur, l’information contenue dans (X, S) devient comparable ` Ω, tant et si bien que E[S|X, S] devrait converger vers E[S|Ω] a (dans un sens ` pr´ciser). a e 50