# Exchangeability, credit risk and risk measures

Exchangeability is an extremely concept, since (most of the time) analytical expressions can be derived. But it can also be used to observe some unexpected behaviors, that we will discuss later on with a more general setting. For instance, in a old post, I discussed connexions between correlation and risk measures (using simulations to illustrate, but in the context of exchangeable risk, calculations can be performed more accurately). Consider again the standard credit risk problem, where the quantity of interest is the number of defaults in a portfolio. Consider an homogeneous portfolio of exchangeable risk. The quantity of interest is here

or perhaps the quantile function of the sum (since the Value-at-Risk is the standard risk measure). We have seen yesterday that – given the latent factor – (either the company defaults, or not), so that

i.e. we can derive the (unconditional) distribution of the sum

so that the probability function of the sum is, assuming that

Thus, the following code can be used to calculate the quantile function

```> proba=function(s,a,m,n){
+ b=a/m-a
+ choose(n,s)*integrate(function(t){t^s*(1-t)^(n-s)*
+ dbeta(t,a,b)},lower=0,upper=1,subdivisions=1000,
+ stop.on.error =  FALSE)\$value
+ }
> QUANTILE=function(p=.99,a=2,m=.1,n=500){
+ V=rep(NA,n+1)
+ for(i in 0:n){
+ V[i+1]=proba(i,a,m,n)}
+ V=V/sum(V)
+ return(min(which(cumsum(V)>p))) }```

Now observe that since variates are exchangeable, it is possible to calculate explicitly correlations of defaults. Here

i.e.

Thus, the correlation between two default indicators is then

Under the assumption that the latent factor is beta distributed

we get

Thus, as a function of the parameter of the beta distribution (we consider beta distributions with the same mean, i.e. the same margin distributions, so we have only one parameter left, with is simply the correlation of default indicators), it is possible to plot the quantile function,

```> PICTURE=function(P){
+ A=seq(.01,2,by=.01)
+ VQ=matrix(NA,length(A),5)
+ for(i in 1:length(A)){
+ VQ[i,1]=QUANTILE(a=A[i],p=.9,m=P)
+ VQ[i,2]=QUANTILE(a=A[i],p=.95,m=P)
+ VQ[i,3]=QUANTILE(a=A[i],p=.975,m=P)
+ VQ[i,4]=QUANTILE(a=A[i],p=.99,m=P)
+ VQ[i,5]=QUANTILE(a=A[i],p=.995,m=P)
+ }
+ plot(A,VQ[,5],type="s",col="red",ylim=
+ c(0,max(VQ)),xlab="",ylab="")
+ lines(A,VQ[,4],type="s",col="blue")
+ lines(A,VQ[,3],type="s",col="black")
+ lines(A,VQ[,2],type="s",col="blue",lty=2)
+ lines(A,VQ[,1],type="s",col="red",lty=2)
+ lines(A,rep(500*P,length(A)),col="grey")
+ legend(3,max(VQ),c("quantile 99.5%","quantile 99%",
+ "quantile 97.5%","quantile 95%","quantile 90%","mean"),
+ col=c("red","blue","black",
+"blue","red","grey"),
+ lty=c(1,1,1,2,2,1),border=n)
+}```

e.g. with a (marginal) default probability of 15%,

`> PICTURE(.15)`

On this graph, we observe that the stronger the correlation (the more on the left), the higher the quantile… Note that the same graph can be plotted with on the X-axis the correlation,

Which is quite intuitive, somehow. But if the marginal probability of default decreases, increasing the correlation might decrease the risk (i.e. the quantile function),

`> PICTURE(.05)`

(with the modified code to visualize the quantile as a function of the underlying default correlation) or even worse,

`> PICTURE(.0075)`

And it because all the more counterintuitive that the default probability decreases ! So in the case of a portfolio of non-very risky bond issuers (with high ratings), assuming a very strong correlation will lower risk based capital !

# Quantile de sommes, ou somme de quantiles ?

Je reprends ici un commentaire que j’ai longtemps entendu dans mon expérience d’actuaire dans une vie antérieure (et qu’on peut lire – entre les lignes le plus souvent – dans certaines réactions de risk managers). Les quantiles sont la base des mesures de risques, en particulier via la VaR en finance, mais quand j’étais actuaire, on calculait des 90/10 pour désigner des quantiles à 90% des pertes. Donc tout ça n’est pas spécialement nouveau. Je rappelle que la fonction quantile est simplement  où

Les quantiles sont calculés par type de risque (en gestion des risques), et forcément à la fin, on souhaite un quantile de la somme des risques, et il a longtemps été coutume de prendre la somme des quantiles. Je vais donc discuter un peu le résultat suivant,

• L’égalité n’est pas vraie dans le cas indépendant

Suite à une espère de déformation professionnelle (à cause de la variance), beaucoup de monde pense que

mais ce résultat est faux…. Un exemple est d’ailleurs donné ci-dessous dans le cas de variables exponentielles.

• L’égalité est vraie dans le cas comonotone…

En fait, le résultat précédant est vrai dans le cas comonotone. La comonotonie correspond au cas de dépendance parfaite positive, de corrélation maximale (si la corrélation existe), i.e.  avec  une fonction strictement croissante. Alors

• … mais ce n’est pas un “worst case

Seconde bizarrerie, la comonotonie n’est pas le pire des cas. La comonotonie est souvent envisagée comme un worst case scenario mais il n’en est rien (cette idée se retrouve dans les QIS 3 par exemple, ici).
Formellement, si  (la classe de Fréchet), alors

et

En passant en dimension 2 (cas où la borne inférieure est effectivement une vraie fonction de répartition), si et  désignent respectivement des version anticomonotone et comonotone de , alors on peut se demander, en considérant une mesure de risque quelconque  si

En fait, Andre Tchen a montré en 1980 un résultat qui montre que la comonotonie est effectivement un worst case, mais seulement dans certains cas très limités.
Si est une fonction supermodulaire, i.e.

pour tout  et . Alors dans ce cas, pour tout ,

(la preuve se trouve ici). Je renvoie aux papiers de Michel Denuit, de Jan Dhaene ou de Marc Goovarts (ici ou ) pour des applications en tarification sur deux têtes, par exemple, ou sur les primes stop-loss en réassurance

• Borner (numériquement) le quantile d’une somme

Commençons par un exemple, avec deux lois exponentielles, car c’est le plus simple, et surtout on peut calculer explicitement les bornes (dans le cas général, on se contentera de méthode numérique comme l’avait fait Khalil ici).
Si  et , où, pour être plus précis,

est valide pour tout  quelle que soit la structure de dépendance entre et , où

Aussi, en prenant les inverses (car ces fonctions sont strictement croissante), on obtient une inégalité en terme de quantile, ou de Value-at-Risk,

pour tout .
Rappelons que dans le cas de variables indépendantes  alors que dans le cas comonotone . La figure ci-dessous montre les valeurs possible pour  la fonction de répartition de la somme, avec le cas indépendant en bleu, et le cas comotonone en rouge.

On peut aussi visualiser les valeurs possibles pour les quantiles de la somme. Dans un cas général, Ce problème a été traité par Makarov en 1981, et par Frank, Nelsen et Schweizer en 1997 (ici), tout en restant en dimension 2. En fait, ils ont travaillé sur les bornes de la fonction de répartition d’une somme mais c’est pareil, comme on l’a vu juste auparavant. Ils ont montré le résultat suivant: si  alors pour tout

désigne la copule anticomonotone (qui est une copule en dimension 2),

en posant , et

On peut retrouver des résultats plus fin en creusant dans la direction de l’arithmetic probability, par exemple avec la thèse de Williamson (ici, cette thèse est remarquable, et trop peu citée, malheureusement). Je ne parle que de la dimension 2, l’extension en dimension supérieure est délicate (je renvoie aux travaux de Paul Embrechts sur le sujet, ici ou , par exemple).

# Calculs de SCR, Solvency Capital Requirements

Pour reprendre le contexte général, Solvency II (l’analogue de la directive CRD pour les banques*) repose sur 3 piliers,

1. définir des seuils quantitatifs de calcul des provisions techniques des fonds propres, seuils qui seront à terme réglementaires, à savoir le MCR (Minimum Capital Requirement, niveau minimum de fonds propres en-dessous duquel l’intervention de l’autorité de contrôle sera automatique) et le SCR (Solvency Capital Requirement, capital cible nécessaire pour absorber le choc provoqué par une sinistralité exceptionnelle),
2. fixer des normes qualitatives de suivi des risques en interne aux sociétés, et définir comment l’autorité de contrôle doit exercer ses pouvoirs de surveillance dans ce contexte. Notons qu’en principe, les autorités de contrôle auront la possibilité de réclamer à des sociétés “trop risquées” de détenir un capital plus élevé que le montant suggéré par le calcul du SCR, et pourra les forcer àréduire leur exposition aux risques,
3. définir un ensemble d’information que les autorités de contrôle jugeront nécessaires pour exercer leur pouvoir de surveillance.

Cette histoire de pilliers peut s’illustrer de la manière suivante

Sur le premier pilier, assureurs et réassureurs devront mesurer les risques, et devront s’assurer qu’ils détiennent suffisamment de capital pour les couvrir. En pratique, le CEIOPS et la Commission Européenne ont retenu une probabilité de ruine de 0,5%. Les calculs de capital se font alors de deux manières, au choix,

1. utiliser une formule standard. La formule ainsi que la calibration des paramètres ont été abordé à l’aide des QIS.
2. utiliser un modèle interne. Là dessus, le CEIOPS étudie les modalités d’évaluation.

En avril 2007, QIS3 a été lancé, afin de proposer une formule standard pour le calcul des MCR et SCR, en étudiant la problématique spécifique des groupes. En particulier, on trouve dans les documents la formule suivante (pour un calcul de basic SCR)

Cette formule sort du QIS3, mais on trouve des choses analogues dans Sandström (2004), par exemple,

Avec une contrainte forte sur la forme du SCR, il obtient alors

D’où sort cette formule ? Certains ont tenté des éléments de réponse, par exemple

Ce résultat n’est malheureusement pas très probant car il n’est jamais rien évoqué sur la dépendance entre les composantes, ce qui est troublant. Sandstôrm écrit quelque chose de similaire, même si pour lui “normalité” est ici entendu dans un cadre multivarié.

Une explication peut être trouvée dans un papier de Dietmar Pfeiffer et Doreen Straßburger (ici) paru dans le Scandinavian Actuarial Journal (téléchargeable ici). Il cherche à expliquer comment calculer le SCR,

Il note, et c’est effectivement l’intuition que l’on avait, que dans un monde Gaussien (multivarié), cette formule marche, aussi bien pour un SCR basé sur la VaR que la TVaR. En particulier, ils citent un livre de Sven Koryciorz, correspondant à sa thèse de doctorat, intitulée “Sicherheitskapitalbestimmung und –allokation in der Schadenversicherung. Eine risikotheoretische Analyse auf der Basis des Value-at-Risk und des Conditional Value-at-Risk“, publiée en 2004.
Sinon, pour aller un peu plus loin, on peut aussi noter, dans les rapports du CEIOPS des déclarations un peu troublantes, par exemple

Il est pourtant facile de montrer que ce n’est pas le cas (même si c’est effectivement ce que préconise la “formule standard“). Le graphique ci-dessous montre l’évolution de la VaR d’une somme de risques corrélés (échangeables) en fonction de la corrélation sous-jacente: sur cet exemple, les risques très très corrélés sont moins risqués que des risques moyennement corrélés.

(la loi sous-jacente est une copule de Student). En revanche pour la TVaR, sur le même exemple, la TVaR de la somme est effectivement une fonction croissante avec la corrélation,

(plus de compléments dans les slides de l’école d’été à Lyon l’été dernier, ici).

* Pour reprendre des éléments de la page de wikipedia (ici), la directive européenne CRD (Capital Requirements Directive, i.e. Fonds Propres Réglementaires) transpose dans le droit européen les recommandations des accords de Bâle II, visant à calculer les fonds propres exigés pour les établissements financiers (i.e. directives 2006/48/CEet 2006/49/CE) .

# Article (de vulgarisation) sur les mesures de risque

Parution d’un article sur l’histoire des mesures de risques, dans la revue Risques, en partant des débats suite à la vaccination, jusqu’à l’adoption de la VaR (Value-at-Risk, i.e un quantile statistique) sous la pression de JP Morgan. En particulier, je voulais rappeler dans ce débat le lien avec la “probabilité de ruine“, étudiée en actuariat depuis plus d’un siècle correspondant à la principale mesure de risque car explicitement liée à la solvabilité d’une compagnie d’assurance.

# Estimation de quantile par noyau beta

Le papier sur l’estimation de quantile par noyau beta, coécrit avec Abder Oulidi, est accepté pour publication dans Statistics and Computing, http://link.springer.com/…

In this paper we propose several nonparametric estimators of quantiles based on Beta kernel and applied to transformed data by the generalized Champernowne distribution initially fitted to the data. A Monte-Carlo based study will show that those estimators improve the efficiency of a traditional ones, not only for light tailed distributions, but also heavy tails, when the probability level is close to 1. We also compare these estimators with the Extreme Value Theory Quantile applying to Danish data on large fire insurance losses.