经典的复合Poisson风险模型$R(t)=u+ct+\sum\limits_{i=1}^{N(t)}X_i$假定按照单位时间常速率取得保单, 且每张保单的保险费也相同, 但在实际应用中收到的保单数和每张保单的保费都是随机的, 所以近年来许多学者对其进行了推广, 一方面用复合Poisson过程来描述保费收入, 且用更一般的点过程(更新过程、Cox过程)来描述理赔次数;另一方面也考虑在经济环境中利率、通货膨胀率、随机干扰等因素的影响, 其中带利率的风险模型是当前风险理论研究的热点之一[1]-[7].
吴荣[1]讨论了保费在单位时间内以常数速率连续收取、理赔到达过程为一般更新过程、带常数利率的风险模型$R(t)=ue^{\delta t}+\frac{c(e^{\delta t}-1)}{\delta}-\sum\limits_{i=1}^{N(t)}X_ie^{\delta (t-T_i)}, $给出了几个重要的精算诊断量如破产概率、破产时余额的分布、破产前瞬间余额分布等的级数展式;朱柘琍[2]对保费收取次数为Poisson过程、每次收取保费为常数C、理赔到达过程为一般更新过程、带常数利率的风险模型$U_\delta {(t)}=ue^{\delta t}+C\sum\limits_{i=1}^{M(t)}e^{\delta(t-K_i)}-\sum\limits_{i=1}^{N(t)}X_ie^{\delta(t-T_i)}$讨论了类似的问题.本文将研究带常数利率的保费收入为复合Poisson过程, 理赔到达过程为一般更新过程的风险模型$U_\delta(t)=ue^{\delta t}+\sum\limits_{i=1}^{M(t)}Y_ie^{\delta(t-K_i)}-\sum\limits_{i=1}^{N(t)}X_ie^{\delta(t-T_i)}, $推广吴荣[1]和朱柘琍[2]的相关结论.
设$(\Omega, {\cal{F}}, P)$为一个完备的概率空间, 以下所涉及到的随机变量均为该空间上的随机变量. ${\{N(t), t\geqslant0\}}$为一普通的更新过程, 它表示$(0, t]$时间间隔内的理赔次数, 相应的更新流为$0=T_0<T_1<T_2<\cdots<T_n<\cdots$, 它表示各次理赔时刻, 更新间隔$W_n=T_n-T_{n-1}, n=1, 2, \cdots$独立同分布, 其分布函数为$\gamma(x)$. ${\{M(t), t\geq0}\}$为一参数为$\lambda$的Poisson过程, 它表示$(0, t]$时间间隔内收取保费的次数, 相应的Poisson流为$0=K_0<K_1<K_2<\cdots<K_n<\cdots$, 它表示各次保费收取时刻. $\{X_n, n=1, 2, \cdots\}$, $\{Y_n, n=1, 2, \cdots\}$均为独立同分布的非负随机变量序列, 分别表示各次理赔额和各次投保额, 其分布函数分别为$F(x)$和$G(x)$.于是$X(t)=\sum\limits_{i=1}^{N(t)}X_i$表示$(0, t]$时间间隔内的理赔总额, $Y(t)=\sum\limits_{i=1}^{M(t)}X_i$表示$(0, t]$时间间隔内收取的保费总额.假定$\{X_n, n=1, 2, \cdots\}$, $\{Y_n, n=1, 2, \cdots\}$, $\{N_t, t\geq0\}$, $\{M_t, t\geq0\}$相互独立.
若保险公司除保费收入之外, 还以常数利率$\delta(\delta >0)$获取资产余额的利息, 于是考虑如下带常数利率的一般更新风险模型$dU_\delta(t)=\delta U_\delta(t)dt+dY(t)-dX(t), U_\delta (0)=u\geq0.$即
记$\psi_\delta(u)=P\{\bigcup\limits_{t\geq0}(U_\delta(t)<0)\mid U_\delta(0)=u\}$, $\psi_\delta(u)$表示保险公司初始准备金为$u$时风险过程$\{U_\delta(t), t\geq0\}$的破产概率.用$T$表示相应的破产时, 即$T=\inf\{t>0:U_\delta(t)<0\}$, 则$T$是一个停时, 也有$\psi_\delta(u)=P\{T<\infty \mid U_\delta(0)=u\}$.注意到破产只有可能在索赔时刻发生, 所以
初始准备金为$u$时风险过程$\{U_\delta(t), t\geq0\}$的生存概率记为$\Phi_\delta(u)$, 即$\Phi_\delta(u)=1-\psi_\delta(u)$.
首先我们准备几个引理.
引理 1 [7] 对所有的$0\leq s<t$及整数$m, n(m<n)$, 在$M(s)=m, M(t)=n$的条件下$(K_{m+1}-s, K_{m+2}-s, \cdots, K_n-s)$的条件分布密度为
也就是说, 若$U_1, U_2, \cdots, U_{n-m}$为${[0, t-s]}$上$n-m$个均匀分布的独立的随机变量, $U_{(i)}, $ $i=1, 2, \cdots, n-m$为相应的顺序统计量, 则在$M(s)=m, M(t)=n$的条件下$(K_{m+1}-s, K_{m+2}-s, \cdots, K_n-s)$的条件分布密度与$(U_{(1)}, U_{(2)}, \cdots, U_{(n-m)})$的分布密度相同.特别地, 若令$s=0, m=0$, 则有在$M(t)=n$的条件下$(K_1, K_2, \cdots, K_n)$的条件分布密度为
即在$M(t)=n$的条件下$(K_1, K_2, \cdots, K_n)$的条件分布密度与$(U_{(1)}, U_{(2)}, \cdots, U_{(n)})$的分布密度相同, 其中$U_{(i)}, i=1, 2, \cdots, n$表示$[0, t]$上$n$个均匀分布的独立的随机变量$U_1, U_2, \cdots, U_n$的第$i$个次序统计量.
引理 2 $P(\sum\limits_{i=m+1}^nY_ie^{-\delta(K_i-t)}\leq z\mid {M(t)=m}, M(t+s)=n)=P(\sum\limits_{i=1}^{n-m}Y_ie^{-\delta U_{(i)}}\leq z)$, 其中$U_{(i)}, i=1, 2, \cdots, n-m$表示$[0, s]$上$n-m$个均匀分布的独立的随机变量$U_1, U_2, \cdots, U_{n-m}$的第$i$个次序统计量.特别地, 取$t=0, m=0$, 则有
其中$U_{(i)}, i=1, 2, \cdots, n$表示$[0, s]$上$n$个均匀分布的独立的随机变量$U_1, U_2, \cdots, U_n$的第$i$个次序统计量.
证
注意到$\{{Y_n, n=1, 2, \cdots}\}$与$\{{M_t, t\geq0}\}, \{{K_n, n=1, 2, \cdots}\}$均相互独立, 所以
从而由引理1知
其中$U_{(i)}, i=1, 2, \cdots, n-m$表示$[0, s]$上$n-m$个均匀分布的独立的随机变量$U_1, U_2, \cdots, U_{n-m}$的第$i$个次序统计量.注意到$\{{Y_n, n=1, 2, \cdots}\}$独立同分布, 则有
于是
引理 3 保费总额折现过程$\{L_\delta(t)=\sum\limits_{i=1}^{M(t)}Y_ie^{-\delta K_i}, t\geq 0\}$满足
其中$X\stackrel{d}{=}Y$表示随机变量$X$、$Y$有相同的分布函数.
证 首先证明下面$(2.1)$式
其中式$(2.2), (2.3)$由引理$2$得到, 于是$(2.1)$式得证.
记$F(s, t)=P(W_n\leq s, T_{n-1}\leq t)$, 则有
从而引理3得证.
注意到$N(T_i)=i, i=1, 2, \cdots$, 则有
用与引理3类似的方法可以证明
引理 4 记$\{L_\delta(t)=\sum\limits_{i=1}^{M(t)}Y_ie^{-\delta K_i}, t\geq 0\}$的分布函数为$F_t(x)$, 则
证 由引理1及$\{Y_n, n=1, 2, \cdots\}$与$\{K_n, n=1, 2, \cdots\}$和$\{M_t, t\geq 0\}$互相独立知
记$\Im_n=\sigma\{U_\delta(T_i), i\leq n\}, n=1, 2, \cdots$, 则对任意Borel可测集$B\subset R$, 有
上述第二个等式成立是因为$e^{\delta W_n}, \sum\limits_{i=M(T_{n-1})}^{M(T_n)}Y_ie^{-\delta K_i}$和$X_n$关于$\Im_{n-1}$独立, 而$U_\delta(T_{n-1})$和$e^{\delta T_{n-1}}$关于$\sigma(U_\delta(T_{n-1}))$可测, 且$\sigma(U_\delta(T_{n-1}))\subset \Im_{n-1}$.
于是$\{U_\delta(T_n), n=1, 2, \cdots\}$为一马氏过程, 下面考虑其转移概率.由(2.4) 式, 有
由于转移概率与时间无关, 于是可记$Q(n-1, x, n, A)=Q(x, A)$.综上, 有
定理 1 $\{{U_\delta(T_n), n=0, 1, 2, \cdots}\}$为一时齐马氏链, 其转移概率为
下面利用转移概率$Q(x, A)$刻画破产概率、破产时余额分布及破产前瞬间余额的分布, 给出其级数展开式.
定理 2 (1) 破产概率$\psi_\delta(u)$有如下展式:
(2) 生存概率$\Phi_\delta(u)$满足$\Phi_\delta(u)=\int_0^\infty\Phi_\delta(x)Q(u, dx);$
(3) 生存概率$\Phi_\delta(u)$满足
证 (1)
(2) 由定理1知
两边对$n\geq2$求和并注意到$\psi_\delta(u)=1-\Phi_\delta(u)$可得$\Phi_\delta(u)=\int_0^\infty\Phi_\delta(x)Q(u, dx).$
(3) 注意到$\Phi_\delta(y)=0, y<0$, 由定理1知
Gerber, Goovaerts和Kass[8]引入破产时余额的分布函数亦即破产时赤字的分布函数$G_\delta(u, y)$来描述“破产”的严重程度, 即
定理 3 破产时余额的分布$G_\delta(u, y)$有如下展式
在Gerber, Goovaerts和Kass[8]工作的基础上, Dufresne和Gerber[9]引入了如下破产前瞬间余额分布函数
定理 4 破产前瞬间余额的分布$F_\delta(u, y)$有如下展式
而
又由定理1知
于是定理得证.