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Pricing reinsurance contracts, another case study

A reinsurance case study for tomorrow’s class. The goal will be to price some nonproportional reinsurance contract, for business interruption claims. Consider the following dataset,

> library(gdata)
>  db=read.xls(
+ "https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/SIN_1985_2000-PE.xls",
+  sheet=1)
Content type 'application/vnd.ms-excel' length 183808 bytes (179 Kb)
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As for any (standard) insurance contract, there are two parts in the pricing

  • the expected number of claims
  • the average cost of individual claims

Here, we do not have covariates (but it might be possible to use some, like the kind of industry, the location, etc).

Let us start with the expected number of claims, per year. Here is the daily frequency,

The data are rather old… but somehow, it is a good thing since after ten years, we can expect that most of the claims have been settled (we’ll discuss claims dynamic starting next week). To plot the graph above, we use

> date=db$DSUR
> D=as.Date(as.character(date),format="%Y%m%d")
> vD=seq(min(D),max(D),by=1)
> sD=table(D)
> d1=as.Date(names(sD))
> d2=vD[-which(vD%in%d1)]
> vecteur.date=c(d1,d2)
> vecteur.cpte=c(as.numeric(sD),rep(0,length(d2)))
> base=data.frame(date=vecteur.date,cpte=vecteur.cpte)
> plot(vecteur.date,vecteur.cpte,type="h",xlim=as.Date(as.character(
+ c(19850101,20111231)),format="%Y%m%d"))

Then, we can get a prediction of the daily number of business interruption claims, e.g. for any day in 2010 (assume that we had to price a reinsurance contract a few years ago), using a (standard) Poisson regression

> regdate=glm(cpte~date,data=base,family=poisson(link="log"))
> nd2010=data.frame(date=seq(as.Date(as.character(20100101),format="%Y%m%d"),
+ as.Date(as.character(20101231),format="%Y%m%d"),by=1))
> pred2010 =predict(regdate,newdata=nd2010,type="response")
> sum(pred2010)
[1] 159.4757

Observe that using old data has drawbacks, since we got much more uncertainty if we use a regression on time (to include some possible trend)

Say we have something like 160 claims over a given year, on average.

> plot(D,db$COUTSIN,type="h")

Let us now focus on the cost of those claims. We have 2,400 claims in our dataset, to fit a model (or at least estimate how much a reinsurance contract might cost us). Assume that we would like to purchase a reinsurance contract for our very large claims. Like the two largest per year. Over 16 years, the decutible should be close to the cost of the 32nd largest claim, which was close to 15 million.

> quantile(db$COUTSIN,1-32/2400)/1e6
98.66667% 
 15.34579 
> abline(h=quantile(db$COUTSIN,1-32/2400),col="blue")

So consider some reinsurance contract with a deductible of 15 million. Unfortunately, we cannot find unlimited covers. So let us assume that a reinsurance company agrees for such a deductible, but with a limited cover of 35 million. The average cost (for the reinsurance company) is https://latex.codecogs.com/gif.latex?\mathbb{E}(g(X)) where

https://latex.codecogs.com/gif.latex?g(x)=\min\{35,\max\{x-15,0\}\}

A first idea is to look at the first cost, i.e. the empirical average of that indemnity, on our portfolio. The indemnity function is

> indemn=function(x) pmin((x-15)*(x>15),50-15)

we can check on a few losses that it is actually what we wish to compute

> indemn(5)
[1] 0
> indemn(20)
[1] 5
> indemn(50)
[1] 35

Now, if the compute the average repayment by the reinsurance company, over 16 years, we get

> mean(indemn(db$COUTSIN/1e6))
[1] 0.1624292

So, per claim, the reinsurance company will pay, on average 162,430. With 160 claims per year, the pure premium should be close to 26 million

> mean(indemn(db$COUTSIN/1e6))*160
[1] 25.98867

(again, for a 35 million cover, for some claims that should occur, on average, twice a year). As we will see, a standard model in reinsurance is the Pareto distribution (or to be more specific, a Generalized Pareto one),

There are three parameters here

  • the threshold https://latex.codecogs.com/gif.latex?\mu (that we will consider as fixed, but we will see its impact on reinsurance pricing)
  • the scale parameter https://latex.codecogs.com/gif.latex?\sigma (called https://latex.codecogs.com/gif.latex?\beta in R)
  • the tail index https://latex.codecogs.com/gif.latex?\xi

The strategy is to consider a threshold below our deductible, e.g. 12 million. Then, given that the loss exceed 12 million, we can fit a Generalized Pareto distribution,

> gpd.PL <- gpd(db$COUTSIN,12e6)$par.ests
> gpd.PL
          xi         beta 
7.004147e-01 4.400115e+06

and compute

>  E <- function(yinf,ysup,xi,beta,threshold){
+    as.numeric(integrate(function(x) (x-yinf)*dgpd(x,xi,mu=threshold,beta),
+    lower=yinf,upper=ysup)$value+
+    (1-pgpd(ysup,xi,mu=threshold,beta))*(ysup-yinf))
+  }

Here, given that a claim exceeds 12 million, the average repayment is close to 6 million

> E(15e6,50e6,gpd.PL[1],gpd.PL[2],12e6)
[1] 6058125

Now, we have to take into account the probability to reach 12 million, which is here

> mean(db$COUTSIN>12e6)
[1] 0.02639296

So, if we summarize, we have on average 160 claims per year,

> p
[1] 159.4757

Only 2.6% will exceed 12 million

> mean(db$COUTSIN>12e6)
[1] 0.02639296

So, the yearly frequency of claism larger than 12 million is 4.2 claims

> p*mean(db$COUTSIN>12e6)
[1] 4.209036

And for a claim that exceed 12 million, the average repayment is

> E(15e6,50e6,gpd.PL[1],gpd.PL[2],12e6)
[1] 6058125

So, the pure premium should be close to

> p*mean(db$COUTSIN>12e6)*E(15e6,50e6,gpd.PL[1],gpd.PL[2],12e6)
[1] 25498867

which (hopefully) is close to the empirical value we got. Actually, it is also possible to look at the impact of the threshold parameter, since it is clearly and intermediate value that could be changed. I mean, why 12 and not 10? Consider

> esp=function(threshold=12e6,p=sum(pred2010)){
+  (gpd.PL <- gpd(db$COUTSIN,threshold)$par.ests)
+  return(p*mean(db$COUTSIN>threshold)*E(15e6,50e6,gpd.PL[1],gpd.PL[2],threshold))
+  }

We can plot the pure premium as a function of that threshold,

> seuils=seq(1e6,15e6,by=1e6)
> plot(seuils,Vectorize(esp)(seuils),type="b",col="red")

which is between 24 and 26 for large thresholds. Again, that is only the first step, and we can price a higher reinsurance layer, like a reinsurance contract with a deductible of 50 million (we have our previous reinsurance contract for claims below that threshold), and a cover of 50 million, for instance. For those high layers, it become interesting to have a parametric model, which should be more robust than the empirical average.

 

Peut on faire l’économie du formalisme quand on parle d’extrêmes ?

Tous les blogs économiques saluent la parution en poche du joli petit livre de Daniel Zajdenweber, Economie des Extrêmes. En particulier, beaucoup de monde salue ce livre qui explique simplement des choses complexes…. Par exemple Alexandre dès 2001 “Passé le premier chapitre, un peu ardu, et qui nécessite du lecteur des connaissances de base en statistique et probabilités (notion de lois de probabilité, d’espérance, de variance…) qui décrit en termes littéraires les caractéristiques de ces lois, l’auteur applique ces résultats à un grand nombre de phénomènes concrets, et en tire les conséquences“. Mais peut-on parler d’économie des extrêmes sans être technique ?

Histoire que mon message ne soit pas déformé, je trouve passionnant ce petit livre introductif à la problématique des risques extrêmes (qui est un de mes dadas depuis quelques années) mais j’espère qu’il servira d’encouragement à une lecture d’ouvrages plus détaillés sur le sujet. Car la vulgarisation a des limites que l’on atteint vite quand on parle de sujets aussi complexes.

L’exemple que j’ai le plus étudié est celui des sinistres de perte d’exploitation (longuement évoqué par Daniel Zajdenweber dans son livre). Il y a quelques années j’avais utilisé cette partie du livre comme base pour faire un sujet d’examen pour le cours de “réassurance et grands risques” que je donnais alors à l’ENSAE1. Et malheureusement, mes compétences littéraires sont très limitées, donc je vais faire des maths. Dans le livre, la figure suivante est présentée,

qui correspond effectivement à la fonction tracée dès 1925 par Karl Gustav Hagstroem (j’avais souligné (ici) ses travaux précurseurs où l’intérêt de la loi de Pareto pour modéliser les très grands riques apparaissait pour la première fois). C’est en effet assez naturel: si on a une loi de Pareto, i.e.

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z01.png

alors on pourrait écrire, en passant au logarithme

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z02.png

Si on représente la version empirique, c’est à dire le nuage de points

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z03.png

alors pour une loi de Pareto, les points devraient être alignés suivant une droite, et la pente doit correspondre au paramètre de la fonction puissance. C’est visiblement l’idée exploitée ici.

Autrement dit, les pointillés ne sont un intervalle de confiance, mais juste un outils graphique pour se demander si la pente vaut 1, ou pas. Daniel Zajdenweber affirme que la pente doit ici être -1.

Le fait que la valeur soit unitaire ou pas a en effet un impact très important en terme d’assurabilité du risque de perte d’exploitation. Rappelons que pour une variable positive (et c’est le cas ici). Et si on a une telle loi de Pareto (de puissance unitaire), alors la prime pure d’un traité de réassurance, couvrant entre m et M s’écrit

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z06.png

soit

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z07.png

ce qui correspond aux calculs de Daniel Zajdenweber… Mais encore une fois “l’absence d’espérance mathématique de la distribution des sinistres” est une conclusion très forte sur laquelle on peut essayer de revenir.

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z04.png

aussi ici

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z05.png

autrement dit, l’espérance est finie si la pente est strictement plus grande (en valeur absolue) que 1. Si la pente est inférieure (ou égale) à 1, le risque n’est pas assurable ! Ce qui est une conclusion très très forte pour les assureurs.
J’ai donc demandé à la FFSA la base de données utilisée ici, et pour éviter des problèmes d’inflation des coûts de sinistres entre 1992 et 2000. Si je prends tous les sinsitres, on obtient l’ajustement de Pareto suivant

soit une pente (en valeur absolue de 1.47). Mais encore une fois, l’ajustement de Pareto se fait sur les grands sinistres. Hill a proposé un estimateur très populaire pour estimer ce coefficient, où on ne prend en compte que les k observations les plus grandes, et on regarde l’estimation de la pente du graphique de Pareto pour ces quelques valeurs. On représente alors l’estimation en fonction du nombre de grands sinistres, ou du seuil définissant les graphs sinistres. Numériquement, en posant

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z08.png

on peut écrire comme estimateur de la pente

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z09.png

soit, en simplifiant le numérateur,

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z10.png

tel que l’a construit Hill en 1975. Graphiquement, on a ici

Bref, la question est ce savoir si on atteint la valeur 1 pour les grands sinistres. Graphiquement, on a malgré tout envie de rejeter cette hypothèse.
Une solution peut être de faire un test statistique, basé sur de ratio de vraisemblance, comme le suggèrent Reiss & Thomas (2001) or Coles (2001). En fait, on peut même utiliser d’autres estimateurs que celui de Hill, comme celui obtenu en faisant un ajustement de loi GPD (Pareto généralisée
) sur la loi des Excès, ou une loi GEV sur des maximas par blocs (Generalized Extreme Value). On introduit alors la statistique de test suivante

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/z12.png

et on regarde les p-value (ainsi que la correction de Bartlett à droite),

On peut aussi, plus simplement, estimer plusieurs coefficients de pentes pour des seuils différents, et regarder la borne supérieure de l’intervalle de confiance,

Bref, même si avec un des ajustements de loi GPD on hésite à retenir une pente unitaire, la plupart des tests rejettent cette hypothèse, et donc le risque de perte d’exploitation semble être assurable, d’espérance mathématique finie. Bref, les dessins c’est très bien pour faire passer une idée, mais ne retenir que ça pour en tirer des conclusions aussi fortes me laisser sceptique….

Perte d’exploitation, une application de la théorie des extrêmes

Je remets ici un lien vers un vieux papier puisque plusieurs personnes m’en ont récemment demandé une version électronique. La version officielle du papier est en ligne sur le site du Bulletin Français d’Actuariat (http://www.institutdesactuaires.com/bfa/, ou ici pour le papier tel qu’il a été publié). Pour ceux qui souhaitent aller plus loin, je mets à leur disposition la base (brute, xls) qui a servie à l’étude. Il s’agit de la version expurgée des noms des assurés, ainsi que de (certaines) informations sur les contrats.

Insurability is a major issue for risk managers in the insurance industry. Zajdenweber (1996) mentioned that business interruption is hardly insurable, using extreme value results: the right tail of the distribution should be modeled using some Pareto distribution with parameter 1, which has none finite moment. Since the expected value in tails is infinite, on a theoretical point of view, it becomes impossible to assess the price of that risk, and to hedge it using standard insurance covers. As we shall see, the use of more advanced results in extreme value theory (a wide survey will be proposed) may let us think that the assumption of very fat tails may be not relevant. For instance, we will propose a test to see if a distribution has a finite mean. We shall also discuss at the end the use of the pure premium as a criteria to assess whether a risk is or not insurable.