1. 引言
在保险精算文献中,用于描述保险业务盈余过程的经典Sparre-Andersen风险模型最早由Andersen提出,在保险风险理论及相关领域得到广泛应用,近年来,很多学者将相依结构引入风险模型以获得相依性质的研究(参见文献[1]-[5])。Vidmar研究了索赔时间与索赔额相依时对破产概率的影响,得出索赔时间与索赔额正依赖时,破产概率增大这一结论[6],Adekambi将随机扰动与相依结构相结合,建立折现惩罚函数的微分–积分方程并求推导了折现惩罚函数的解析表达式[7],Li和Sendova研究了受扰动的风险模型,其中索赔时间依赖于索赔大小,保费率取决于前一次索赔大小,且相依结构根据固定阈值水平来构建,得到了Gerber-Shiu惩罚函数满足的积分–微分方程以及指数索赔大小下的显示解[8] [9],Sun和Zhang进一步研究了具有两类索赔和阈值分红策略的扰动风险模型,推导了Gerber-Shiu惩罚函数满足的矩阵形式的积分–微分方程,最后证明了Gerber-Shiu惩罚函数的闭合形式可由无红利支付情形下的Gerber-Shiu惩罚函数以及对应的齐次积分–微分方程的两个线性无关解构成的矩阵来表示[10]。
本文以文献[8] [9]中受布朗运动扰动的相依风险模型为基础,首先将该模型中的固定阈值拓展为随机阈值,然后参考文献[10]的研究过程,在模型中引入阈值分红策略(即盈余低于阈值时不分红、超过阈值时超出部分全部分红),并假设保险费率为固定值,进一步增强模型的随机性和实用性,最后参考文献[10]的研究过程,对于改进后的风险模型,我们得到了Gerber-Shiu惩罚函数满足的积分–微分方程、广义伦德伯格方程的根以及该积分–微分方程的解析表达式。
2. 模型介绍
本文考虑以下盈余过程受布朗运动扰动的风险模型
(2.1)
其中
表示初始资本,
为保险费率,
是标准布朗运动,
是扩散率,
表示到达时间
的总索赔金额,
表示索赔次数过程,它是一个更新过程,描述到时刻
的索赔次数,
索赔金额
是独立同分布的随机变量,其累计分布函数为
,概率密度函数为
,均值为
,索赔间隔时间
是独立同分布的随机变量序列,若索赔金额
大于某个随机阈值
,则盈余过程被归为第1类,且到下一次索赔的时间服从速率为
的指数分布;若
小于
,则盈余过程被归为第2类,且到下一次索赔的时间服从速率为
的指数分布,当盈余低于阈值b时不分红,超过b时,超出部分全部作为红利。
定义Gerber-Shiu函数为
其中
是贴现因子,
是破产前盈余,
是破产后赤字,
是示性函数,
是关于破产前盈余和破产后赤字的二元函数,不失一般性,令
为确保破产不是必然事件,假设
恒成立。故当索赔金额
时,下一次索赔的时间服从速率为
的指数分布,此时若盈余金额
,则其Gerber-Shiu函数为
,若盈余金额
,则其Gerber-Shiu函数为
;当索赔金额
时,下一次索赔的时间服从速率为
的指数分布,此时若盈余金额
,则其Gerber-Shiu函数为
,若盈余金额
,则其Gerber-Shiu函数为
。在后续内容中,我们使用以下符号:
,
3. 积分–微分方程
在本节中,我们对Gerber-Shiu函数建立积分–微分方程。
命题2.1:函数
,
满足以下的积分–微分方程。
(3.1)
(3.2)
其中
,
,
,
证明:对于
,考虑一个长度为
的小时间区间,并以在该区间内可能发生的首次索赔情况为条件,可以得到
由泰勒公式,以及同时除以
,并令
趋于0,得到
同理,对于
,考虑一个长度为
的小时间区间,并以在该区间内可能发生的首次索赔情况为条件,我们可以得到
对上式先用泰勒公式展开,然后同时除以
,并令
趋于0,得到
由上式,我们可以得到
令
从而
整理可得(3.1)和(3.2)。
4. 广义伦德伯格方程的根
当
且
时,对(3.1)式进行拉普拉斯变换得到
然后将上式两边同时乘以
并将包含
的项移到等式左边,可得
(4.1)
其中
,
定理3.1:对于
,广义伦德伯格方程
有两个实部为正的根
。
证明:
令
,
则
令
(4.2)
设轮廓
是以原点为圆心,半径为
的右半圆弧(
足够大),
是由
和虚轴共同构成的闭合轮廓,应用Rouché定理,令
,
,只需要证明在
上有
(4.3)
当
时,
,
,
由拉普拉斯变换的有界性得,
,
,故
,显然当
足够大时,有
(4.4)
当
,
时,
则
,即(4.2)有两个根,下面证明这两个根都是实根。
先计算
的导数,得到下式
再令
得到一个正实根
,并可验证
在
上递减,在
上递增,且在
时有一个最小值
,再结合
,则方程(4.2)有两个实根,证毕。
5. 无红利赔付的Gerber-Shiu惩罚函数
在本节中,记
为无红利赔付
时的Gerber-Shiu惩罚函数,类似于上文命题2.1的证明过程,可以得到
(5.1)
5.1.
的表达式
矩阵
对不同数的商差递归定义如下(见Lu和Li (2009))
(5.2)
定理4.1:的闭合形式由下式给出
(5.3)
其中
为矩阵
的伴随矩阵。
证明:对于满足
的所有
,
都是有限的,对等式(4.1)两边同时乘以
并把
代入得到:
运用(5.2),结合边界条件
,得到
故
5.2.
的显式表达式
方程(5.1)的常见齐次积分微分方程的形式为
(5.4)
参考Bueton (2005),得到以下定理。
定理4.2:令
,其中
是(5.4)的两个线性独立的解,使得
,并且
,有
(5.5)
证明:对以下等式两边进行拉普拉斯变换
其中
,
,有
运用边界条件
,
,可得到
再将
代入上式,可得
(5.6)
又由式(4.1)和式(5.6)可得
再结合边界条件
,并对上式进行拉普拉斯逆变换可得
故等式(5.5)得证。
6. 阈值分红策略下的Gerber-Shiu惩罚函数
通过定理4.2的类似推导,可得到
(6.1)
由方程(6.1)和(5.5)可计算得
(6.2)
此处
为未知向量,其表达式将在后文给出。参考Lu和Li (2009)的方法,可得到
的表达式如下,对于
,令
,
且
,方程(3.2)可改写为
(6.3)
其边界条件为
其中
参考定理4.2的证明方法,令
为式(6.3)的解,则有
对式(6.3)两边进行拉普拉斯变换得到
再令上式两边同乘
得到
最后对上式进行拉普拉斯逆变换得到
即
(6.4)
其中
(6.5)
接下来讨论
的表达式,回顾Lu和Li (2009)中定义的算子
,其作用于矩阵函数
上为
则对于不同的
和
,有
(6.6)
将方程(3.2)两边乘以
,并对
从
到
积分,可得对于满足
的
,有
等式两边同时乘以
得到
(6.7)
其中
将
代入式(6.7),则式(6.7)的分母为0,此时分子也为0,得到
即
再由式(5.2),可推导出
(6.8)
利用在
时的边界条件,结合式(6.2)和(6.6),可将式(6.8)重写为
整理包含
的项构成
,其余常数项为
,由此可得
(6.9)
其中
最后,将主要结果总结为以下定理。
定理5.1:函数
的解析表达式如下
其中,
由定理4.2给出,而
,
,
分别由(5.6),(6.5),(6.9)定义。
7. 数值分析
若对任意
,都有
,则此时Gerber-Shiu函数
为破产时间的拉普拉斯变换,记为
,若进一步满足
且对任意
,都有
,则此时Gerber-Shiu函数
为破产概率,下面我们考虑一个数值示例来阐明破产概率的变化。
Figure 1. Bankruptcy probability chart
图1. 破产概率图示
在本节中,假设
,分红阈值
,保费率
,布朗运动扩散率
,索赔额服从指数分布
,并以阈值
划分两类风险状态,当
时索赔间隔时间
,当
时索赔间隔时间
,且经过计算安全负载条件
,满足破产非必然条件,则伦德伯格方程的根为
,由本节之前的计算结果可以得到,当
时,破产概率为
当μ ≥ 5时,破产概率为
图1表明,随着初始盈余u的不断增大,不同风险状态下的破产概率逐渐降低,初始盈余越高,风险抵御能力越强。