Основы страховой математики

ÒÎÌÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ Ã.Ì.Êîøêèí ÎÑÍÎÂÛ ÑÒÐÀÕÎÂÎÉ ÌÀÒÅÌÀÒÈÊÈ Ó÷åáíîå ïîñîáèå Òîìñê - 2002 ÓÄÊ 519.25 ...

Author: Кошкин Г.М.

5 downloads 238 Views 620KB Size Report

This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form

DOWNLOAD PDF

ÒÎÌÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ

Ã.Ì.Êîøêèí

ÎÑÍÎÂÛ ÑÒÐÀÕÎÂÎÉ ÌÀÒÅÌÀÒÈÊÈ Ó÷åáíîå ïîñîáèå

Òîìñê - 2002

ÓÄÊ 519.25 ÁÁÊ 32.973 Ð 47 Êîøêèí Ã.Ì.

Ð 47 ÎÑÍÎÂÛ ÀÊÒÓÀÐÍÎÉ ÌÀÒÅÌÀÒÈÊÈ: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / Òîìñê: Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, 2002. 116 ñ.

Â ó÷åáíîì ïîñîáèè äàåòñÿ ýëåìåíòàðíîå ââåäåíèå â ñòðàõîâóþ (àêòóàðíóþ) ìàòåìàòèêó, êîòîðàÿ âìåñòå ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè ýêîíîìè÷åñêèìè è þðèäè÷åñêèìè äèñöèïëèíàìè ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç òåîðåòè÷åñêèõ îñíîâ ñòðàõîâîãî áèçíåñà. Ïîñîáèå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñòóäåíòîâ Ìåæäóíàðîäíîãî ôàêóëüòåòà óïðàâëåíèÿ (ñïåöèàëüíîñòü "Ãîñóäàðñòâåííîå ìóíèöèïàëüíîå óïðàâëåíèå") è ôàêóëüòåòà ïðèêëàäíîé ìàòåìàòèêè è êèáåðíåòèêè (ñïåöèàëüíîñòü "Ïðèìåíåíèå ìàòåìàòè÷åñêèõ ìåòîäîâ è èññëåäîâàíèå îïåðàöèé â ýêîíîìèêå"). Â êîíöå êàæäîé ãëàâû ïðèâîäÿòñÿ êîíòðîëüíûå çàäàíèÿ, êîòîðûå ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ ïðè ïðîâåäåíèè ïðàêòè÷åñêèõ çàíÿòèé. Ó÷åáíîå ïîñîáèå ìîæåò áûòü ïîëåçíî òàêæå ñïåöèàëèñòàì è àñïèðàíòàì, êîòîðûå èíòåðåñóþòñÿ ïðèëîæåíèÿìè ìàòåìàòè÷åñêîé ñòàòèñòèêè ïðè ðàçðàáîòêå è èññëåäîâàíèè ìàòåìàòè÷åñêèõ ìîäåëåé ñòðàõîâîé ìàòåìàòèêè.

c

Ã.Ì.Êîøêèí, 2002

1

1.1

ÂÂÅÄÅÍÈÅ Â ÑÒÐÀÕÎÂÎÅ ÄÅËÎ

Ïðåäìåò àêòóàðíîé ìàòåìàòèêè

Â ó÷åáíîì ïîñîáèè äàþòñÿ íà÷àëüíûå ñâåäåíèÿ î ìàòåìàòè÷åñêèõ ìåòîäàõ è ìîäåëÿõ , èñïîëüçóåìûõ â ñòðàõîâàíèè. Îáùåïðèíÿòîå íàçâàíèå ýòîãî íàó÷íîãî íàïðàâëåíèÿ àêòóàðíàÿ ìàòåìàòèêà (actuarial mathematics) è ïðîèñõîäèò îò actuary àêòóàðèé, ñòàòèñòèê ñòðàõîâîãî îáùåñòâà. Âìåñòå ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè ýêîíîìè÷åñêèìè è þðèäè÷åñêèìè äèñöèïëèíàìè àêòóàðíàÿ ìàòåìàòèêà îáðàçóåò áîëåå øèðîêóþ îáëàñòü çíàíèé àêòóàðíóþ íàóêó (actuarial science), êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ òåîðåòè÷åñêîé îñíîâîé ñòðàõîâîãî áèçíåñà. Õîòÿ àêòóàðíàÿ ìàòåìàòèêà øèðîêî èñïîëüçóåò ìåòîäû òåîðèè âåðîÿòíîñòåé è ìàòåìàòè÷åñêîé ñòàòèñòèêè, îíà ÿâëÿåòñÿ ñàìîñòîÿòåëüíûì íàó÷íûì íàïðàâëåíèåì ñî ñâîèìè ïðåäìåòîì , ìåòîäàìè è ñôåðîé ïðèìåíåíèé . Àêòóàðíîå îáðàçîâàíèå â ìèðå èìååò âåêîâûå òðàäèöèè. Îäíàêî â íàøåé ñòðàíå ñ ïî÷òè 70-ëåòíèì îòñóòñòâèåì ñâîáîäíûõ ðûíî÷íûõ îòíîøåíèé àêòóàðíîå îáðàçîâàíèå è àêòóàðíàÿ íàóêà ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâîâàëè äî 90-õ ãîäîâ XX âåêà. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïîÿâèëñÿ îãðîìíûé èíòåðåñ ê ýòîé ñôåðå äåÿòåëüíîñòè, ÷òî ñâÿçàíî ñ áîëüøîé ïîòðåáíîñòüþ â ñïåöèàëèñòàõ-àêòóàðèÿõ ñî ñòîðîíû ñòðàõîâûõ êîìïàíèé, ÷èñëî êîòîðûõ â Ðîññèè óæå ñîñòàâëÿåò íåñêîëüêî òûñÿ÷. Ñàìûé âûñîêèé ìèðîâîé ñòàíäàðò ïðîôåññèîíàëüíîé ïîäãîòîâêè â îáëàñòè àêòóàðíîé íàóêè äàåò, ïî-âèäèìîìó, ïðîãðàììà Îáùåñòâà Àêòóàðèåâ (ÑØÀ). Îòìåòèì, ÷òî Îáùåñòâî Àêòóàðèåâ äîâîëüíî æåñòêî ïðåäïèñûâàåò ïðè èçó÷åíèè êóðñà "Àêòóàðíàÿ ìàòåìàòèêà"èñïîëüçîâàòü ôóíäàìåíòàëüíóþ ìîíîãðàôèþ [1]. Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè èìååòñÿ ëèòåðàòóðà è íà ðóññêîì ÿçûêå [2] [6], ïðàâäà, òðóäíîäîñòóïíàÿ ñòóäåíòàì, à òàêæå âñåì æåëàþùèì èçó÷èòü ñòðàõîâóþ ìàòåìàòèêó. Ïðè íàïèñàíèè ïîñîáèÿ èñïîëüçîâàëàñü ôóíäàìåíòàëüíàÿ ìîíîãðàôèÿ [1], êíèãè [2][4], à òàêæå äðóãèå ðàáîòû, ññûëêè íà êîòîðûå ïðè-

3

âîäÿòñÿ ïî ìåðå íåîáõîäèìîñòè. Ðàçëè÷àþò àêòóàðíóþ ìàòåìàòèêó â èìóùåñòâåííîì è ëè÷íîì ñòðàõîâàíèè. Ïîä èìóùåñòâåííûì ñòðàõîâàíèåì (non-life insurance) ïîíèìàþòñÿ âñå âèäû ñòðàõîâîé äåÿòåëüíîñòè, íå ñâÿçàííûå ñ ëè÷íûì ñòðàõîâàíèåì (ñòðàõîâàíèå æèëüÿ, àâòîìîáèëåé, ïðåäïðèÿòèé, áàíêîâñêèõ êàïèòàëîâ è ò.ï.). Ïîä ëè÷íûì ñòðàõîâàíèåì (life insurance) ïîíèìàåòñÿ ñòðàõîâàíèå æèçíè, çäîðîâüÿ, ïåíñèé è ò.ï.

Îïðåäåëåíèå 1.1.1 Äåíåæíûå ñóììû èëè âåëè÷èíû p1 , p2 , . . . , pn , êîòîðûå ñòðàõóåìûå ïëàòÿò ñòðàõîâîé êîìïàíèè, íàçûâàþòñÿ ñòðàõîâûìè ïðåìèÿìè (premiums) . Îïðåäåëåíèå 1.1.2 Âåëè÷èíû b1 , b2 , . . . , bν , ν ≤ n, êîòîðûå ïëàòèò êîìïàíèÿ â ðåçóëüòàòå íàñòóïëåíèÿ ν ñòðàõîâûõ ñëó÷àåâ íàçûâàþòñÿ ñòðàõîâûìè âûïëàòàìè (benefits) . ßñíî, ÷òî âåëè÷èíû bj >> pj , èíà÷å íèêòî íå áóäåò ñòðàõîâàòüñÿ. Êóïèâ çà p ðóáëåé ñòðàõîâîé ïîëèñ, çàñòðàõîâàííûé èçáàâèë ñåáÿ îò ðèñêà ôèíàíñîâûõ ïîòåðü, ñâÿçàííûõ ñ íåîïðåäåëåííîñòüþ ñòðàõîâîãî ñëó÷àÿ. Ýòîò ðèñê (risk) ïðèíÿëà íà ñåáÿ ñòðàõîâàÿ êîìïàíèÿ, äëÿ êîòîðîé ðèñê çàêëþ÷àåòñÿ â ñëó÷àéíîñòè èñêà (claim), êîòîðûé ìîæåò áûòü åé ïðåäúÿâëåí. Â àêòóàðíîé ìàòåìàòèêå îñîáîå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ ñòàíäàðòèçàöèè òåðìèíîëîãèè è îáîçíà÷åíèé. Äëÿ òîãî, ÷òîáû óïðîñòèòü îáùåíèå ìåæäó àêòóàðèÿìè, îáëåã÷èòü âíåäðåíèå ðåçóëüòàòîâ íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé è ò.ï., åùå â 1898 ãîäó ìåæäóíàðîäíûé àêòóàðíûé êîíãðåññ ðåøèë ñòàíäàðòèçèðîâàòü òåðìèíîëîãèþ è îáîçíà÷åíèÿ îñíîâíûõ âåëè÷èí, âñòðå÷àþùèõñÿ â ñòðàõîâîé ìàòåìàòèêå. Â ïîñîáèè âñòðåòèòñÿ áîëüøîå ÷èñëî òàêèõ îáîçíà÷åíèé, ïîðîé äîâîëüíî íåîáû÷íûõ. Ñâîáîäíîå âëàäåíèå ýòèìè ïîíÿòèÿìè è îáîçíà÷åíèÿìè ÿâëÿåòñÿ âàæíîé íåîòúåìëåìîé ÷àñòüþ ïðîôåññèîíàëüíûõ çíàíèé àêòóàðèÿ. Ïîýòîìó íåîáõîäèìî îáðàòèòü ñåðüåçíîå âíèìàíèå íà ïðîáëåìó çàïîìèíàíèÿ òåðìèíîâ è îáîçíà÷åíèé.

1.2

Ïðîñòåéøàÿ ìîäåëü ñòðàõîâîé êîìïàíèè

Â ñòðàõîâîé ìàòåìàòèêå ðåøàþòñÿ ñëåäóþùèå îñíîâíûå ïðîáëåìû. 1. Íàõîæäåíèå "ïðàâèëüíîãî"ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó ïðåìèåé p è âûïëàòîé b, p U ), à âåðîÿòíîñòü íå ðàçîðåíèÿ ðàâíà P(S ≤ U ). Ïîíÿòíî, ÷òî

P(S > U ) + P(S ≤ U ) = 1. 3. Ðàñ÷åò ðåçåðâîâ ñòðàõîâîé êîìïàíèè. Ðåøåíèå óêàçàííûõ ïðîáëåì ïðîèëëþñòðèðóåì íà ïðèìåðå ïðîñòåéøåé ìîäåëè ðàáîòû ñòðàõîâîé êîìïàíèè, ïîñòðîåííîé ñ èñïîëüçîâàíèåì ëèøü öåíòðàëüíîé ïðåäåëüíîé òåîðåìû òåîðèè âåðîÿòíîñòåé. Ðàññìîòðèì ñëåäóþùóþ èäåàëèçèðîâàííóþ ñõåìó. Ïóñòü â íà÷àëå ãîäà â ôèðìå çàñòðàõîâàëîñü n ìóæ÷èí âîçðàñòà x = 26 ëåò. Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî êàæäûé êëèåíò ïëàòèò ïðåìèþ p, è, ñëåäîâàòåëüíî, ôèðìà ïîëó÷èëà ñóììàðíûé äîõîä p · n, êîòîðûé è áóäåò ñîñòàâëÿòü åå ðåçåðâ U = pn. Îáîçíà÷èì ÷åðåç bi = 1 èñêè, ïðåäúÿâëÿåìûå ê ôèðìå, åñëè â òå÷åíèå ãîäà i-ûé êëèåíò óìðåò. Âîñïîëüçîâàâøèñü òàáëèöåé ñìåðòíîñòè èç Ïðèëîæåíèÿ 1, äëÿ ëþáîãî i = 1, . . . , n íàõîäèì

P(bi = 1) = q26 = 0, 00293,

P(bi = 0) = p26 = 1 − q26 = 0, 99707.

Âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî êîìïàíèÿ íå ðàçîðèòñÿ, ðàâíà     n n n X  X X       ( n ) b b − E U − E b i i i     X i=1 i=1 i=1 v P bi ≤ U = P ≤ v . u X u X   n n   u u i=1    tD tD   bi bi      i=1

(1.2.1)

i=1

Çäåñü è âñþäó â äàëüíåéøåì ñèìâîëû Eξ è Dξ îáîçíà÷àþò ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå (ñðåäíåå) è äèñïåðñèþ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû ξ. Ó÷èòûâàÿ äèñêðåòíîñòü ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí bi , äëÿ ëþáûõ i = 1, . . . , n èìååì Ebi = 1 · q26 + 0 · p26 = q26 = 0, 00293,

Dbi = Ebi − (Ebi )2 = 0, 00293 − (0, 00293)2 ≈ 0, 00292. 5

Òàê êàê èñêè bi îáû÷íî íà ïðàêòèêå íåçàâèñèìû, òî ôîðìóëà (1.2.1) ïðåîáðàçóåòñÿ ê âèäó   n X       bi − n · 0, 00293    U − n · 0, 00293  i=1 p √ P ≤ .  n · 0, 00292  n · 0, 00292)         Äëÿ ÷èñëà çàñòðàõîâàâøèõñÿ n = 3071, ïîëó÷àåì

nEb1 = 3071 · 0, 00293 ≈ 9, nDb1 = 3071 · 0, 00292 ≈ 9, ò.å. ñðåäíåå è äèñïåðñèÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû S ñîâïàäàåò, ÷òî, âîîáùå ãîâîðÿ, óêàçûâàåò íà ïóàññîíîâîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ S. Äëÿ ïðîñòîòû âîñïîëüçóåìñÿ öåíòðàëüíîé ïðåäåëüíîé òåîðåìîé, â ñèëó êîòîðîé   n X       bi − 9     U − 9 U −9 i=1 ≤ ≈Φ , P   3 3  3        ãäå

Z x 1 Φ(x) = √ e−u2 /2du 2π −∞ èíòåãðàë âåðîÿòíîñòåé (ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ñòàíäàðòíîãî íîðìàëüíîãî çàêîíà). Ïóñòü ðóêîâîäñòâî êîìïàíèè óñòðàèâàåò âåðîÿòíîñòü íåðàçîðåíèÿ U −9 0,95. Òîãäà, ðåøàÿ îòíîñèòåëüíî óðàâíåíèå 3 U −9 Φ = 0, 95, 3 U −9 èìååì = x0,95 , ãäå x0,95 = 1, 645 êâàíòèëü óðîâíÿ 0,95 ñòàíäàðò3 íîãî íîðìàëüíîãî çàêîíà. Ñëåäîâàòåëüíî, ñòðàõîâàÿ êîìïàíèÿ â ýòîì ñëó÷àå äîëæíà èìåòü ðåçåðâ U = 3 · 1, 645 + 9 ≈ 13, 935, à ïëàòà çà ñòðàõîâêó (ïðåìèÿ) äîëæíà ñîñòàâèòü 0,00453 ÷àñòü îò èñêà b = 1, òàê êàê U 13, 935 p= = = 0, 00453. n 3071 6

Åñëè b = 100000 ðóá., òî ïðåìèÿ

p = 100000 · 0, 00453 ≈ 453 ðóá. â ãîä, èëè ïðèáëèçèòåëüíî 38 ðóáëåé â ìåñÿö, ÷òî ìîãóò ïîçâîëèòü ñåáå êëèåíòû è ñ íåáîëüøèì äîõîäîì.

7

1.3

Êîíòðîëüíûå çàäàíèÿ Çàäàíèå 1.3.1

Ñîñòàâüòå ðàçëè÷íûå ðèñêè äëÿ: 1) ñòóäåíòà, 2) øàõòåðà, 3) âîäèòåëÿ àâòîìîáèëÿ, 4) ñåìüè, 5) îðãàíèçàöèè, 6) îáëàñòè, 7) ñòðàíû, 8) ÷åëîâå÷åñòâà â öåëîì.

Çàäàíèå 1.3.2 Ïî÷åìó íåëüçÿ ïîëó÷èòü ñòðàõîâêó äëÿ çàùèòû îò ðèñêà çàñòðåëèòü çàâòðà îäíó èç ñîáàê âàøåãî ñîñåäà? Êàêèå ðèñêè ñòðàõóþòñÿ ÷àñòè÷íî? Êàêèå ðèñêè ñòðàõóþòñÿ îáÿçàòåëüíî?

Çàäàíèå 1.3.3 Êàêèå èç ñîñòàâëåííûõ Âàìè â çàäàíèè 1.3.1 ðèñêîâ: 1) ñòðàõóåìûå, 2) íåñòðàõóåìûå, 3) ÷àñòè÷íî ñòðàõóåìûå, 4) îáÿçàòåëüíî ïîäëåæàùèå ñòðàõîâàíèþ.

Çàäàíèå 1.3.4 Ïî ìåòîäîëîãèè ðàçäåëà 1.2 íàéäèòå ïðåìèè p ïðè âåðîÿòíîñòÿõ ðàçîðåíèÿ 0,05 è 0,01 äëÿ æåíùèí âîçðàñòà x = 26 ëåò. Ïðîâåäèòå ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç ïîëó÷åííûõ äëÿ æåíùèí ðåçóëüòàòîâ ñ ðåçóëüòàòàìè äëÿ ìóæ÷èí èç ðàçäåëà 1.2.

Çàäàíèå 1.3.5

Ïîñòðîéòå ìîäåëü ðàáîòû ñòðàõîâîé êîìïàíèè, ñ÷èòàÿ, ÷òî ðàñïðåäåëåíèå ñóììàðíûõ âûïëàò S ÿâëÿåòñÿ ïóàññîíîâñêèì. Óáåäèòåñü, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå â óñëîâèÿõ ðàçäåëà 1.2 p ≈ 114 ðóá. ïðè âåðîÿòíîñòè ðàçîðåíèÿ 0,05 è p ≈ 130 ðóá. ïðè âåðîÿòíîñòè ðàçîðåíèÿ 0,01.

8

2

ÂÅÐÎßÒÍÎÑÒÍÛÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ ÏÐÎÄÎËÆÈÒÅËÜÍÎÑÒÈ ÆÈÇÍÈ

2.1

Ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ (survival function)

Ïðåæäå âñåãî îòìåòèì, ÷òî ðàññìàòðèâàåìûå â ñòðàõîâàíèè æèçíè ìåòîäû è ìîäåëè ïðèìåíèìû è ê äðóãèì âèäàì ñòðàõîâàíèÿ. Ïóñòü X îáîçíà÷àåò ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè, Xi ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè i -ãî èíäèâèäóóìà. Â äðóãèõ âèäàõ ñòðàõîâàíèÿ ïîä X ìîæíî, íàïðèìåð, ïîíèìàòü: 1) âðåìÿ äî íàñòóïëåíèÿ çàáîëåâàíèÿ (êëåùåâîé ýíöåôàëèò, áîëåçíü Ëàéìà); 2) âðåìÿ áåçàâàðèéíîé ðàáîòû àâòîìîáèëÿ; 3) âðåìÿ äî ïðè÷èíåíèÿ óùåðáà èìóùåñòâó è ò.ï. Íåîïðåäåëåííîñòü èëè íåïðåäñêàçóåìîñòü ìîìåíòà ñìåðòè, çàáîëåâàíèÿ, àâàðèè ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì èñòî÷íèêîì ñëó÷àéíîñòè ïðè ñòðàõîâàíèè, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ñëó÷àéíûå ñîáûòèÿ, âåëè÷èíû, ïðîöåññû ïðè ìàòåìàòè÷åñêîì àíàëèçå ðàçëè÷íûõ àñïåêòîâ ñòðàõîâàíèÿ æèçíè, çäîðîâüÿ, àâòîìîáèëÿ è ò.ï. Î÷åâèäíî, ÷òî îòíîñèòåëüíî ìîìåíòà ñìåðòè êîíêðåòíîãî ÷åëîâåêà, êàê ïðàâèëî, òðóäíî ñêàçàòü ÷òî-ëèáî îïðåäåëåííîå. Îäíàêî, åñëè ðàññìàòðèâàåòñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøàÿ îäíîðîäíàÿ ãðóïïà ëþäåé, òî äëÿ íåå óæå áóäóò ñïðàâåäëèâû çàêîíîìåðíîñòè, ïðèñóùèå ìàññîâûì ñëó÷àéíûì ÿâëåíèÿì, íàïðèìåð, óñòîé÷èâîñòü ÷àñòîò, ñõîäèìîñòü ê íîðìàëüíîìó èëè ïóàññîíîâñêîìó çàêîíàì ðàñïðåäåëåíèÿ è ò.ä. Ïîýòîìó, ïðèâëåêàÿ òåðìèíîëîãèþ òåîðèè âåðîÿòíîñòåé, ìîæíî ãîâîðèòü î ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè êàê î ñëó÷àéíîé âåëè÷èíå X, ïðè÷åì X ≥ 0. Èñ÷åðïûâàþùåé õàðàêòåðèñòèêîé ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû X ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ

F (x) = P(X ≤ x). Â àêòóàðíîé ìàòåìàòèêå îáû÷íî èñïîëüçóþò âìåñòî ôóíêöèè ðàñïðå9

äåëåíèÿ ôóíêöèþ âûæèâàíèÿ (2.1.1)

s(x) = P(X > x) = 1 − F (x) ,

êîòîðàÿ åñòü âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî ÷åëîâåê äîæèâåò äî âîçðàñòà x ëåò. Èíäèâèäóóìà â âîçðàñòå x ëåò â àêòóàðíîé ìàòåìàòèêå îáîçíà÷àþò (x). Ôîðìóëó äëÿ ôóíêöèè âûæèâàíèÿ ìû ïîìåñòèëè â ðàìêó, òàê êàê s(x) ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç îñíîâíûõ òåðìèíîâ è îáîçíà÷åíèé àêòóàðíîé ìàòåìàòèêè. Â äàëüíåéøåì ôîðìóëû, íà êîòîðûå ñëåäóåò îáðàòèòü îñîáîå âíèìàíèå áóäóò îáðàìëÿòüñÿ ïîäîáíî (2.1.1). Ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ êàê äîïîëíèòåëüíàÿ ôóíêöèÿ ê ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ îáëàäàåò ñâîéñòâàìè: 1) s(x) óáûâàåò (íåñòðîãî); 2) s(0) = 1, s(∞) = 0; 3) s(x) íåïðåðûâíà ñïðàâà. Îäíàêî äëÿ ðåàëüíîãî ïðîöåññà ñìåðòíîñòè ñâîéñòâà 1) è 3) íåñêîëüêî âèäîèçìåíÿþòñÿ. Â ñàìîì äåëå, ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ äîëæíà ñòðîãî óáûâàòü , òàê êàê ñóùåñòâîâàë áû íåêîòîðûé ïåðèîä â æèçíè ÷åëîâåêà, íàïðèìåð, ∆x = x2 − x1 , â òå÷åíèå êîòîðîãî îí íå óìèðàåò, è s(x) äîëæíà áûòü íåïðåðûâíîé , èíà÷å ñóùåñòâîâàë áû òàêîé ìîìåíò x◦ â æèçíè ÷åëîâåêà, â êîòîðûé îí óìèðàë áû ñ îòëè÷íîé îò íóëÿ âåðîÿòíîñòüþ ∆P = s(x◦− ) − s(x◦ ), s(x◦− ) = lim s(x), s(x◦ ) = lim s(x). x→x◦−

x→x◦+

Â êàêîé-òî ñòåïåíè î õàðàêòåðå ðåàëüíûõ çàâèñèìîñòåé ôóíêöèé âûæèâàíèÿ îò âîçðàñòà x ìîæíî ñóäèòü ïî ïðèâåäåííûì íèæå òàáëèöàì äëÿ ìóæ÷èí è æåíùèí ÑÑÑÐ (19841985 ã.), à òàêæå äëÿ íàñåëåíèÿ ÑØÀ.

10

ÌÓÆ×ÈÍÛ (ÑÑÑÐ, 19841985 ã.) x s1 (x)

0 1,000

14 0,954

20 0,947

70 0,434

80 0,188

90 0,003

100 0

30 0,922

40 0,878

50 0,795

0 1,000

14 0,964

20 0,961

70 0,700

80 0,417

90 0,008

100 0

60 0,651

110 0

ÆÅÍÙÈÍÛ (ÑÑÑÐ, 19841985 ã.) x s2 (x)

[5, ñ.86]

30 0,953

40 0,939

50 0,908

[÷åò, ñ.86] 60 0,841

110 0

ÍÀÑÅËÅÍÈÅ ÑØÀ x s3 (x)

0 1,000

10 0,983

20 0,977

30 0,965

70 0,682

80 0,432

90 0,142

100 0,012

110 0

[2, ñ.7]

40 0,949

50 0,915

60 0,837

Òàê êàê ðåàëüíàÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè X îãðàíè÷åíà ïðåäåëüíûì âîçðàñòîì (limiting age) ω = 100 − 120 ëåò, òî

s(x) = 0, x > ω. Â ñâÿçè ñ ýòèì òàáëèöû ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè (ÒÏÆ) ñîñòàâëÿþòñÿ îáû÷íî äëÿ öåëûõ x ≤ ω. Îäíàêî äëÿ ôóíêöèé s(x), çàäàâàåìûõ àíàëèòè÷åñêè, âðåìÿ æèçíè, êàê ïðàâèëî, íåîãðàíè÷åíî, ïðè÷åì ïàðàìåòðû s(x) ïîäáèðàþò òàê, ÷òîáû âåðîÿòíîñòü P{X > ω} áûëà äîñòàòî÷íî ìàëîé. Âûÿñíèì, êàê ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ s(x) ñâÿçàíà ñ îäíîé èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê lx îáùèõ ÒÏÆ (Ïðèëîæåíèå 1). Ðàññìîòðèì äîñòàòî÷íî áîëüøóþ ãðóïïó èç l◦ íîâîðîæäåííûõ (äëÿ óäîáñòâà áåðóò l◦ = 10000 èëè l◦ = 100000) è áóäåì ôèêñèðîâàòü èõ ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè èëè ìîìåíòû ñìåðòè: X1 , X2 , . . . , Xl◦ . Ââåäåì äëÿ ñîáûòèÿ A èíäèêàòîð

I(A) = {1, åñëè ñîáûòèå A ïðîèçîøëî ; 0, â ïðîòèâîïîëîæíîì ñëó÷àå }.

11

Òîãäà ÷èñëî ïðåäñòàâèòåëåé ýòîé ãðóïïû, äîæèâøèõ äî âîçðàñòà x, åñòü ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà

L(x) =

l◦ X

I(Xi > x),

i=1

ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå êîòîðîé è îïðåäåëÿåò âåëè÷èíó lx :

lx = Elx =

l◦ X i=1

ò.å.

EI(Xi > x) =

l◦ X

P(Xi > x) =

i=1

l◦ X

s(x) = l◦ s(x),

i=1

lx = l◦ · s(x).

(2.1.2)

Èç ôîðìóëû (2.1.2) ñëåäóåò, ÷òî 1) êðèâàÿ lx èçìåíÿåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò âîçðàñòà x àíàëîãè÷íî ôóíêöèè âûæèâàíèÿ s(x) ñ òî÷íîñòüþ äî ìíîæèòåëÿ-êîíñòàíòû l◦ ; 2) s(x) = lx /l◦ ýòî ñðåäíÿÿ äîëÿ äîæèâøèõ äî âîçðàñòà x èç ðàññìàòðèâàåìîé ãðóïïû íîâîðîæäåííûõ. Ñîãëàñíî ÒÏÆ, ïðåäñòàâëåííîé â Ïðèëîæåíèè 1, l14 = 95, 438 äëÿ ìóæ÷èí îáîçíà÷àåò, ÷òî èç 100000 íîâîðîæäåííûõ äî âîçðàñòà 14 ëåò äîæèâàåò â ñðåäíåì 95438 ìàëü÷èêîâ, à ñðåäíÿÿ äîëÿ äîæèâøèõ äî âîçðàñòà 14 ëåò èç äàííîé ãðóïïû íîâîðîæäåííûõ ðàâíà s(14) = 0, 95438.

2.2

Êðèâàÿ ñìåðòåé (the curve of deaths)

Ðàññìîòðèì äàííûå ÒÏÆ äëÿ íàñåëåíèÿ ÑØÀ ïðåäûäóùåãî ïàðàãðàôà è ïðîèíòåðïðåòèðóåì èõ ïî äðóãîìó. Åñëè âçÿòü l◦ = 1000, òî â ïåðâûå 10 ëåò æèçíè óìðåò ïðèìåðíî 17 ÷åëîâåê, îò 10 äî 20 ëåò 6 ÷åëîâåê, îò 20 äî 30 ëåò 12 ÷åëîâåê, îò 30 äî 40 ëåò 16 ÷åëîâåê, îò 40 äî 50 ëåò 34 ÷åëîâåêà, îò 50 äî 60 ëåò 78 ÷åëîâåê, îò 60 äî 70 ëåò 155 ÷åëîâåê, îò 70 äî 80 ëåò 250 ÷åëîâåê, îò 80 äî 90 ëåò 290 ÷åëîâåê, îò 90 äî 100 ëåò 130 ÷åëîâåê, îò 100 äî 110 ëåò 12 ÷åëîâåê. Î÷åâèäíî, ÷òî ýòè äàííûå, ðàçáèòûå íà èíòåðâàëû, áîëåå íàãëÿäíî õàðàêòåðèçóþò ñìåðòíîñòü, ïî ñðàâíåíèþ ñ äàííûìè, ïðåäñòàâëåííûìè â óïîìÿíóòîé òàáëèöå. Íàïðèìåð, ìû ìîæåì âûäåëèòü ïåðâîå äåñÿòèëåòèå, â êîòîðîì ñìåðòíîñòü âòðîå âûøå, ÷åì âî âòîðîì, ñàìîì áåçîïàñíîì äåñÿòèëåòèè, èëè ïåðèîä îò 70 äî 90 ëåò, çà êîòîðûé óìèðàåò 540 ÷åëîâåê, ÷òî ñîñòàâëÿåò áîëåå ïîëîâèíû èñõîäíîé ãðóïïû â l0 = 1000 ÷åëîâåê.

12

Òåïåðü ñòàíîâèòñÿ ïîíÿòíûì ââåäåíèå äëÿ èíòåðâàëà âîçðàñòîâ (x, x+ t) ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû t Dx

= L(x) − L(x + t) =

l◦ X

I(x < Xi ≤ x + t),

(2.2.1)

i=1

êîòîðàÿ ðàâíà ÷èñëó óìåðøèõ â âîçðàñòå îò x äî x+t èç ôèêñèðîâàííîé ãðóïïû l◦ íîâîðîæäåííûõ. Ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå ýòîé ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû îïðåäåëÿåò åùå îäíó èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê t dx îáùèõ òàáëèö ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè (Ïðèëîæåíèå 1): t dx

= E t Dx .

Î÷åâèäíî, ÷òî ñîãëàñíî (2.2.1) t dx

= E[L(x) − L(x + t)] = lx − lx+t = l0 [s(x) − s(x + t)],

ãäå s(x)−s(x+t) = P(x < Xi ≤ x+t) âåðîÿòíîñòü ñìåðòè â ïðîìåæóòêå (x, x + t]. Îòìåòèì, ÷òî èíäåêñ 1 â îáîçíà÷åíèè 1 dx îáû÷íî îïóñêàåòñÿ, ïîýòîìó dx = lx − lx+1 , ò.å. dx âûðàæàåòñÿ ÷åðåç lx è lx+1 , èìåþùèåñÿ â òàáëèöàõ ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè. Òåì íå ìåíåå, âåëè÷èíà dx òàêæå ïðèâîäèòñÿ â ýòèõ òàáëèöàõ â êà÷åñòâå îñíîâíîé. 0 0 Ôóíêöèÿ f (x) = F (x) = −s (x) íàçûâàåòñÿ ïëîòíîñòüþ ðàñïðåäåëåíèÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû X, è çà íåé â àêòóàðíîé ìàòåìàòèêå çàêðåïëåí òåðìèí êðèâàÿ ñìåðòåé (the curve of deaths). Ïîêàæåì, ÷òî êðèâàÿ dx îò ïåðåìåííîé âîçðàñòà x èçìåíÿåòñÿ ïðèáëèæåííî êàê êðèâàÿ ñìåðòåé f (x) ñ òî÷íîñòüþ äî ìíîæèòåëÿ-êîíñòàíòû l◦ , ò.å. dx ≈ l◦ f (x). (2.2.2) Â ñàìîì äåëå, âîñïîëüçîâàâøèñü ôîðìóëîé Òåéëîðà (Òåîðåìà Ï3, Ïðèëîæåíèå 4), èìååì 0 s(x) = s(x + 1) − s (ξ), ãäå ξ ∈ (x, x + 1). Òàê êàê s(x) ïî÷òè íå ìåíÿåòñÿ â òå÷åíèå ãîäà, òî 0

0

dx = −l◦ s (ξ) ≈ −l◦ s (x) = l◦ f (x). Ôîðìóëà (2.2.2) äîêàçàíà. Ðåçþìèðóÿ, ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî êðèâàÿ ñìåðòåé â êàêîì-òî ñìûñëå ÿâëÿåòñÿ áîëåå òîíêîé õàðàêòåðèñòèêîé ïî ñðàâíåíèþ ñ ôóíêöèåé âûæèâàíèÿ. 13

2.3

Ôóíêöèÿ èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè (force of mortality)

Â ñâîþ î÷åðåäü, ïî ñðàâíåíèþ ñ êðèâîé ñìåðòåé áîëåå òîíêîé õàðàêòåðèñòèêîé ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèÿ èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè. Íàéäåì âåðîÿòíîñòü ñìåðòè ÷åëîâåêà, äîæèâøåãî äî x ëåò, â òå÷åíèå áëèæàéøèõ t ëåò, ò.å. â ïðîìåæóòêå (x, x + t] :

P(x < X ≤ x + t|X > x) = =

P(x < X ≤ x + t ∩ X > x) = P(X > x)

P(x < X ≤ x + t) s(x) − s(x + t) F (x + t) − F (x) = = . P(X > x) s(x) 1 − F (x)

(2.3.1)

Ïðèìåíÿÿ ôîðìóëó Òåéëîðà ê ôóíêöèè F (x + t) â (2.3.1), ïîëó÷àåì 0

F (x + t) − F (x) = F (x) + F (ξ) · t − F (x) = f (ξ) · t, ξ ∈ (x, x + t). (2.3.2) Åñëè âåëè÷èíà t ìàëà èëè ôóíêöèÿ f (ξ) ñëàáî èçìåíÿåòñÿ â ïðîìåæóòêå (x, x + t), òî ñîãëàñíî (2.3.1) è (2.3.2) ñïðàâåäëèâî ïðèáëèæåííîå ðàâåíñòâî: f (x) P(x < X ≤ x + t|X > x) ≈ · t. (2.3.3) 1 − F (x) Îòíîøåíèå â ïðàâîé ÷àñòè (2.3.3)

µx =

f (x) f (x) = 1 − F (x) s(x)

(2.3.4)

íàçûâàåòñÿ ôóíêöèåé èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè è ÿâëÿåòñÿ âàæíîé õàðàêòåðèñòèêîé ñòðàõîâîé ìàòåìàòèêè. Ñîãëàñíî (2.3.4) è (2.3.3) âåëè÷èíà µx · t ïðèáëèæåííî ðàâíà âåðîÿòíîñòè ñìåðòè ÷åëîâåêà âîçðàñòà x â èíòåðâàëå (x, x + t). Âàæíîñòü ôóíêöèè µx ïîäòâåðæäàåòñÿ è òåì, ÷òî åå ïðèáëèæåíèå qx ïðèâîäèòñÿ â ÒÏÆ (ñì. Ïðèëîæåíèå 1) òàêæå â êà÷åñòâå îñíîâíîé:

qx =

dx l◦ f (x) ≈ = µx . lx l◦ s(x)

Îòìåòèì, ÷òî â òåîðèè íàäåæíîñòè ôóíêöèÿ µx íàçûâàåòñÿ ôóíêöèåé îòêàçîâ (hazard rate function). Ôóíêöèÿ èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè îáëàäàåò ñëåäóþùèìè ñâîéñòâàìè: I) µx ≥ 0. (2.3.5) 14

II)

Z

∞

µu du = +∞.

(2.3.6)

0

Â ñàìîì äåëå, èç óñëîâèé, ÷òî s(+∞) = 0, à s(0) = 1, ïîëó÷àåì Z ∞ Z ∞ ∞ ds(u) µu du = − = − ln s(u)) 0 = +∞. s(u) 0 0 III)

−

s(x) = e

Rx 0

µu du

Rx

−

,

F (x) = 1 − e

0

µu du

.

(2.3.7)

0

Âûâåäåì ñîîòíîøåíèÿ (2.3.7). Ðàâåíñòâî µu = −s (u)/s(u) ìîæíî òðàêòîâàòü êàê äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå. Óìíîæèì îáå ÷àñòè äàííîãî óðàâíåíèÿ íà äèôôåðåíöèàë du 0

s (u)du ds(u) µu du = − =− , s(u) s(u) çàòåì ïðîèíòåãðèðóåì îáå ÷àñòè ïîëó÷åííîãî ðàâåíñòâà îò íóëÿ äî x Z x Z x x ds(u) µu du = − = −lns(u) 0 = s(u) 0 0

= −(lns(x) − lns(0)) = −(lns(x) − ln1) = −lns(x), îòêóäà −

s(x) = 1 − F (x) = e

Rx 0

µu du

.

Ñîîòíîøåíèÿ (2.3.7) äîêàçàíû. Èç ñâîéñòâ I)III) ñëåäóåò, ÷òî ôóíêöèÿ èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà êàê îñíîâíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè íàðÿäó ñ ôóíêöèåé ðàñïðåäåëåíèÿ, ôóíêöèåé âûæèâàíèÿ è ïëîòíîñòüþ ðàñïðåäåëåíèÿ.

2.4

Òåîðåìû î ìîìåíòàõ íåîòðèöàòåëüíûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí

Ïðèâåäåì ñ äîêàçàòåëüñòâàìè äâå ïîëåçíûõ òåîðåìû èç ([1, ñ.62 64]), ñ ïîìîùüþ êîòîðûõ óäîáíî íàõîäèòü ìîìåíòû íåîòðèöàòåëüíûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí êàê íåïðåðûâíîãî, òàê è äèñêðåòíîãî òèïà. Çäåñü è â äàëüíåéøåì êîíåö äîêàçàòåëüñòâ òåîðåì è ëåìì áóäåì îòìå÷àòü çà÷åðíåííûì óêàçàòåëåì ♠. 15

Òåîðåìà 2.4.1 (íåïðåðûâíûé ñëó÷àé). Ïóñòü X íåïðåðûâíàÿ ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà ñ ôóíêöèåé ðàñïðåäåëåíèÿ F (x) è ñîîòâåòñòâóþùåé 0 ïëîòíîñòüþ ðàñïðåäåëåíèÿ f (x) = F (x), ïðè÷åì 1) F (0) = 0, 2) ôóíêöèÿ z(x) íåîòðèöàòåëüíà, ìîíîòîííà è äèôôåðåíöèðóåìà, Z ∞ 3) ñðåäíåå Ez(X) = z(x)f (x)dx < ∞. Òîãäà 0

Ez(X) = z(0) +

Z

∞

0

z (t)[1 − F (t)]dt.

(2.4.1)

0

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Èíòåãðèðóÿ ïî ÷àñòÿì, èìååì Z x Z x z(t)f (t)dt = − z(t)d[1 − F (t)] = 0

0

= −z(t)[1 − F (t)]|x0 +

Z

x

0

[1 − F (t)]z (t)dt.

0

Ôîðìóëà (2.4.1) èìååò ìåñòî, åñëè lim z(t)[1 − F (t)] = 0. Ðàññìîòðèì t→∞ äâà ñëó÷àÿ: À. Åñëè íåîòðèöàòåëüíàÿ ôóíêöèÿ z(t) íå âîçðàñòàåò, òî

lim z(t)[1 − F (t)] ≤ z(0) lim [1 − F (t)] = 0,

t→∞

t→∞

òàê êàê limt→∞ F (t) = 1. Á. Åñëè íåîòðèöàòåëüíàÿ ôóíêöèÿ z(t) íå óìåíüøàåòñÿ, òî Z ∞ Z ∞ 0 ≤ z(t)[1 − F (t)] = z(t) f (s)ds ≤ z(s)f (s)ds. t

t

Íî Z ∞ñîãëàñíî óñëîâèþ 3) äîêàçûâàåìîé òåîðåìû íåñîáñòâåííûé èíòåãðàë z(x)f (x)dx ñõîäèòñÿ, ïîýòîìó 0

lim

t→∞

Z

∞

z(s)f (s)ds = 0,

t

è, ñëåäîâàòåëüíî, òåì áîëåå

lim z(t)[1 − F (t)] = 0. ♠

t→∞

16

Òåîðåìà 2.4.2 (äèñêðåòíûé ñëó÷àé). Ïóñòü äèñêðåòíàÿ ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà, ïðèíèìàþùàÿ íåîòðèöàòåëüíûå öåëûå çíà÷åíèÿ, õàðàêòåðèçóåìàÿ ôóíêöèåé ðàñïðåäåëåíèÿ F (k) è âåðîÿòíîñòÿìè p(k) = P(Y = k) = F (k) − F (k − 1) = ∆F (k − 1), ïðè÷åì 1) ôóíêöèÿ z(k) íåîòðèöàòåëüíà è ìîíîòîííà, ∞ X z(k)p(k) < ∞. Òîãäà 2) ñðåäíåå Ez(K) = k=0

Ez(K) = z(0) +

∞ X

[1 − F (k)]∆z(k).

(2.4.2)

k=0

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ñóììèðóÿ ïî ÷àñòÿì, èìååì k−1 X

z(j)p(j) = −

j=0

k−1 X

z(j)∆[1 − F (j − 1)] =

j=0

= −z(j)[1 − F (j − 1)]|k0 +

k−1 X

[1 − F (j)]∆z(j).

j=0

Ôîðìóëà (2.4.2) èìååò ìåñòî, åñëè lim z(k)[1−F (k−1)] = 0. Ðàññìîòðèì k→∞ äâà ñëó÷àÿ: À. Åñëè íåîòðèöàòåëüíàÿ ôóíêöèÿ z(k) íå âîçðàñòàåò, òî

lim z(k)[1 − F (k − 1)] ≤ z(0) lim [1 − F (k − 1)] = 0,

k→∞

k→∞

òàê êàê lim F (k − 1) = 0. k→∞

Á. Åñëè íåîòðèöàòåëüíàÿ ôóíêöèÿ z(k) íå óìåíüøàåòñÿ, òî

0 ≤ z(k)[1 − F (k − 1)] = z(k)

∞ X

p(j) ≤

j=k

∞ X

z(j)p(j).

j=k

Íî ñîãëàñíî óñëîâèþ 2) äîêàçûâàåìîé òåîðåìû ðÿä

∞ X

k=0

ñÿ àáñîëþòíî, ïîýòîìó

lim

k→∞

∞ X

z(j)p(j) = 0,

j−k

è, ñëåäîâàòåëüíî,

lim z(k)[1 − F (k − 1)] = 0. ♠

k→∞

17

z(k)p(k) ñõîäèò-

2.5

Ñðåäíåå âðåìÿ æèçíè, åãî äèñïåðñèÿ, êîýôôèöèåíò àñèììåòðèè è ýêñöåññ

Èçâåñòíî, ÷òî ñðåäíÿÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû X Z ∞ ◦ e◦ = EX = (2.5.1) xf (x)dx, 0

ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç âàæíåéøèõ ïîêàçàòåëåé, ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî ñðàâ◦ íèâàþò êà÷åñòâî æèçíè íàñåëåíèÿ ðàçëè÷íûõ ñòðàí. Íàðÿäó ñ e◦ âàæíûìè ïðàêòè÷åñêèìè ìàêðîõàðàêòåðèñòèêàìè ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû X òàêæå ÿâëÿþòñÿ åå äèñïåðñèÿ Z ∞ ◦ 2 ◦ ◦ DX = E(X− e◦ )2 = EX 2 − (e◦ )2 = x2 f (x)dx − e◦ , (2.5.2) 0

êîýôôèöèåíò àñèììåòðèè ◦

γ=

E(X− e◦ )3 , (DX)3/2

(2.5.3)

è ýêñöåññ ◦

oe =

E(X− e◦ )4 − 3. (DX)2

◦

(2.5.4)

Íàïðèìåð, âåëè÷èíà e◦ äàåò ñðåäíþþ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè íàóäà÷ó âûáðàííîãî íîâîðîæäåííîãî, DX ñðåäíèé êâàäðàò ðàçáðîñà åãî ◦ ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè îòíîñèòåëüíî e◦ , êîýôôèöèåíò àñèììåòðèè γ > 0 óêàçûâàåò íà äëèííûé õâîñò â ïðàâîé ÷àñòè ðàñïðåäåëåíèÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû X, à åñëè ýêñöåññ oe ≈ 0, òî ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî X ðàñïðåäåëåíî ïðèáëèæåííî ïî íîðìàëüíîìó çàêîíó (äëÿ íîðìàëüíîé ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû oe = 0). Çäåñü æå âàæíî îòìåòèòü, ÷òî çíàíèå, ïî êðàéíåé ìåðå, ïåðâûõ ÷åòûðåõ ìîìåíòîâ èëè èõ îöåíîê ïîçâîëÿåò ïðèáëèæàòü íåèçâåñòíûå ðàñïðåäåëåíèÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû X ðàçëè÷íûìè ïàðàìåòðè÷åñêèìè ñåìåéñòâàìè (Ïèðñîí, Äæîíñîí, Òüþêè). Ñ ïîìîùüþ òåîðåìû 2.4.1 ëåãêî âûðàçèòü ôîðìóëû (2.5.1)(2.5.4) â ◦ òåðìèíàõ ôóíêöèè âûæèâàíèÿ. Íàïðèìåð, äëÿ e◦ = EX ôóíêöèÿ z(x) = 0 x, z(0) = 0, z (x) = 1 è, òàêèì îáðàçîì, Z ∞ Z ∞ EX = (1 − F (x))dx = s(x)dx. (2.5.5) 0

0

18

0

Àíàëîãè÷íî äëÿ EX 2 ïîëó÷àåì z(x) = x2 , z(0) = 0, z (x) = 2x è

EX 2 = 2

∞

Z

x(1 − F (x))dx = 2

0

2.6

Z

∞

xs(x)dx.

(2.5.6)

0

Àíàëèòè÷åñêèå çàêîíû ñìåðòíîñòè: ìîäåëè äå Ìóàâðà, Ãîìïåðòöà, Ìýéêõàìà, Âåéáóëëà è Ýðëàíãà

Ïðè òåîðåòè÷åñêîì àíàëèçå ïðîöåññîâ ñìåðòíîñòè, ïåðâîíà÷àëüíîì è óïðîùåííîì èçó÷åíèè ðåàëüíûõ ñèòóàöèé èñïîëüçóþò, êàê ïðàâèëî, ñòàíäàðòíûå âåðîÿòíîñòíûå ìîäåëè, ïîçâîëÿþùèå âûÿâèòü îñíîâíûå çàêîíîìåðíîñòè, èíòåðåñóþùèå èññëåäîâàòåëÿ. Ê òîìó æå, íåêîòîðûå ðåàëüíûå ïðîöåññû ñìåðòíîñòè äîñòàòî÷íî õîðîøî àïïðîêñèìèðóþòñÿ ðàññìàòðèâàåìûìè íèæå àíàëèòè÷åñêèìè çàêîíàìè.

Ìîäåëü äå Ìóàâðà (de Moivre)

Îäèí èç îñíîâîïîëîæíèêîâ òåîðèè âåðîÿòíîñòåé À.Ìóàâð â 1729 ã. ïðåäëîæèë ñ÷èòàòü, ÷òî âðåìÿ æèçíè ðàñïðåäåëåíî ðàâíîìåðíî íà èíòåðâàëå (0, ω ), ãäå ïàðàìåòð ω, ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿþùèé çàêîí ðàâíîìåðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ, íàçûâàåòñÿ ïðåäåëüíûì âîçðàñòîì. Ïîíÿòíî, ÷òî äëÿ ýòîé ìîäåëè ïðè 0 < x < ω èìååì

f (x) =

1 x x f (x) 1 , F (x) = , s(x) = 1 − , µx = = . ω ω ω s(x) ω−x

Çàêîí äå Ìóàâðà íå îòðàæàåò ìíîãèå õàðàêòåðíûå îñîáåííîñòè, ñâÿçàííûå ñ ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ æèçíè ÷åëîâåêà. Íàïðèìåð, â ðàññìàòðèâàåìîé ìîäåëè êðèâàÿ ñìåðòåé ÿâëÿåòñÿ ãîðèçîíòàëüíîé ïðÿìîé, à ýìïèðè÷åñêèå êðèâûå èìåþò ìàêñèìóì â ðàéîíå 80 ëåò.

Ìîäåëü Ãîìïåðòöà (Gompertz)

Â ýòîé ìîäåëè (1825 ã.) èíòåíñèâíîñòü ñìåðòíîñòè çàäàåòñÿ ôîðìóëîé f (x) µx = = B eαx , s(x) ãäå α > B > 0 íåêîòîðûå ïàðàìåòðû. Çäåñü ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ Z x Z x s(x) = exp − µu du = exp − B eαu du = 0

0

= exp [−B (e

αx

− 1)/α] ,

êðèâàÿ ñìåðòåé ðàâíà

f (x) = µx s(x) = B exp [αx − B (eαx − 1)/α] 19

è èìååò ìàêñèìóì â òî÷êå x = (ln α − ln B)/α (ñì. Çàäàíèå 2.6.2). Ýòó èíôîðìàöèþ ìîæíî èñïîëüçîâàòü ïðè íàõîæäåíèè îöåíîê ïàðàìåòðîâ α è B. Òàê, åñëè èç êàêèõ-òî ïîñûëîê íàì èçâåñòíî, ÷òî ìàêñèìàëüíàÿ ñìåðòíîñòü íàáëþäàåòñÿ äëÿ âîçðàñòà 78,3 ãîäà, à êâàðòèëü ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ Ãîìïåðòöà x0,25 ðàâåí 33,4 ãîäà, òî ñèñòåìà óðàâíåíèé äëÿ íàõîæäåíèÿ îöåíîê ïðèíèìàåò âèä: (ln α − ln B)/α = 78,3, (2.6.1) 1 − exp −B (eα33,4 − 1)/α = 0, 25. Ñèñòåìó íåëèíåéíûõ óðàâíåíèé (2.6.1) ìîæíî ðåøèòü íà êîìïüþòåðå ÷èñëåííûìè ìåòîäàìè.

Ìîäåëü Ìýéêõàìà (Makeham)

Ïîçäíåå, â 1860 ã., Ìýéêõàì ïðåäëîæèë ïðèáëèæàòü èíòåíñèâíîñòü ñìåðòíîñòè áîëåå îáùåé ôóíêöèåé âèäà

µx = A + B eα x , ãäå ïàðàìåòð A ó÷èòûâàåò ðèñêè, ñâÿçàííûå ñ íåñ÷àñòíûìè ñëó÷àÿìè, à ñëàãàåìîå B eα x ó÷èòûâàåò âëèÿíèå âîçðàñòà íà ñìåðòíîñòü. Çäåñü Z x αu s(x) = exp − (A + B e )du = exp [−Ax − B (eα x − 1)/α] , 0 0

f (x) = −s (x) = [A + B eα x ] exp [−Ax − B (eα x − 1)/α] . Èç ìîäåëåé, ïðèâåäåííûõ âûøå, çàêîí Ìýéêõàìà íàèáîëåå ïîäõîäèò äëÿ èçó÷åíèÿ ïðîöåññà ñìåðòíîñòè ÷åëîâåêà, òàê êàê â íåì ó÷èòûâàåòñÿ, ÷òî äëÿ ìàëûõ âîçðàñòîâ ïðåîáëàäàþùóþ ðîëü â ñìåðòíîñòè èãðàþò íåñ÷àñòíûå ñëó÷àè, à ñ óâåëè÷åíèåì âîçðàñòà èõ ðîëü îñëàáåâàåò.

Ìîäåëü Âåéáóëëà (Weibull)

Â 1939 ã. Âåéáóëë â êà÷åñòâå ïðîñòîãî ïðèáëèæåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè ñòàë èñïîëüçîâàòü ñòåïåííóþ ôóíêöèþ

µx = k xn , âèä êîòîðîé îïðåäåëÿåò ôóíêöèþ âûæèâàíèÿ Z x s(x) = exp − kun du = exp − 0

k xn+1 n+1

è êðèâóþ ñìåðòåé

0 f (x) = −s (x) = kxn exp − 20

k xn+1 n+1

ñ ìàêñèìóìîì â òî÷êå x = (n/k)1/(n+1) (ñì. Çàäàíèå 2.6.2).

Ìîäåëü Ýðëàíãà

Ðàññìîòðèì ìîäåëü Ýðëàíãà 2-ãî ïîðÿäêà, äëÿ êîòîðîé êðèâàÿ ñìåðòåé îïèñûâàåòñÿ ôîðìóëîé x x f (x) = 2 e− a , x ≥ 0. a Â ýòîì ñëó÷àå ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ

s(x) =

x + a −x e a, a

à èíòåíñèâíîñòü ñìåðòíîñòè

µx =

x . a(x + a)

Â çàêëþ÷åíèå îòìåòèì, ÷òî îïðåäåëåííûì ïðåèìóùåñòâîì àíàëèòè÷åñêèõ çàêîíîâ ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî äëÿ íèõ âåðîÿòíîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè ìîæíî áûñòðî âû÷èñëÿòü ïî íåáîëüøîìó ÷èñëó ïàðàìåòðîâ. Ýòî ìîæåò îêàçàòüñÿ âàæíûì òàêæå è â ñëó÷àÿõ, êîãäà äîñòóïíûå äàííûå íåìíîãî÷èñëåííû.

2.7


Õàðàêòåð çàâèñèìîñòè ôóíêöèè âûæèâàíèÿ s(x) îò âîçðàñòà x äàþò ñëåäóþùèå òàáëèöû:

ÌÓÆ×ÈÍÛ (ÑÑÑÐ, 19841985 ã.) x s1 (x)

0 1,000

14 0,954

20 0,947

70 0,434

80 0,188

90 0,003

100 0

30 0,922

40 0,878

50 0,795

0 1,000

14 0,964

20 0,961

70 0,700

80 0,417

90 0,008

100 0

60 0,651

110 0

ÆÅÍÙÈÍÛ (ÑÑÑÐ, 19841985 ã.) x s2 (x)

[4, ñ.86]

30 0,953 110 0

21

40 0,939

50 0,908

[4, ñ.86] 60 0,841

ÍÀÑÅËÅÍÈÅ ÑØÀ x s3 (x)

0 1,000

10 0,983

20 0,977

30 0,965

70 0,682

80 0,432

90 0,142

100 0,012

110 0

[1, ñ.7]

40 0,949

50 0,915

60 0,837

1) Èñõîäÿ èç ñìûñëà ôóíêöèè âûæèâàíèÿ ïðîàíàëèçèðóéòå äàííûå òàáëèöû. 2) Ïðèâëåêàÿ ïîðÿäêîâûå ñòàòèñòèêè, ïîñòðîéòå ïàðàìåòðè÷åñêèå îöåíêè ôóíêöèé âûæèâàíèÿ äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà, âîñïîëüçîâàâøèñü ïðèâåäåííûìè òàáëèöàìè. 3) Îïèøèòå íåñêîëüêî ñïîñîáîâ ïîñòðîåíèÿ ïàðàìåòðè÷åñêèõ îöåíîê ôóíêöèé âûæèâàíèÿ äëÿ ìîäåëè Âåéáóëëà íà îñíîâå ïðèâåäåííûõ òàáëèö (â ìîäåëè Âåéáóëëà èíòåíñèâíîñòü ñìåðòíîñòè µx ïðèáëèæàåòñÿ ñòåïåííîé ôóíêöèåé âèäà kxn ).

Çàäàíèå 2.7.2 Â ìîäåëè Ãîìïåðòöà èíòåíñèâíîñòü ñìåðòíîñòè µx ïðèáëèæàåòñÿ ïîêàçàòåëüíîé ôóíêöèåé âèäà Beαx , ãäå α > B > 0 íåêîòîðûå ïàðàìåòðû. 1) Íàéòè òî÷êó ìàêñèìóìà äëÿ êðèâîé ñìåðòåé â ìîäåëè Ãîìïåðòöà. 2) Ãäå ìîæíî èñïîëüçîâàòü ïîëó÷åííûé ðåçóëüòàò? 3) Íàéòè òî÷êó ìàêñèìóìà äëÿ êðèâîé ñìåðòåé â ìîäåëè Âåéáóëëà.

Çàäàíèå 2.7.3 Ïóñòü èìåþòñÿ äâå ôóíêöèè âûæèâàíèÿ: 3

s1 (x) = e−x /12 , x ≥ 0; x α s2 (x) = 1 − , 0 ≤ x < ω, α > 0. ω Ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ s2 (x) ïðè α = 1 îïèñûâàåò ìîäåëü äå Ìóàâðà. 1) Íàéòè èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè µix , êðèâûå ñìåðòåé fi (x) è ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ Fi (x), ñîîòâåòñòâóþùèå ôóíêöèÿì âûæèâàíèÿ si (x), i = 1, 2. 2) Íàéòè âåðîÿòíîñòè òîãî, ÷òî óìðóò â ïðîìåæóòêå îò 10 äî 30 ëåò: à) ñëó÷àéíî âûáðàííûé ÷åëîâåê,

22

á) çàñòðàõîâàííûé â âîçðàñòå 10 ëåò.

Çàäàíèå 2.7.4 Ðàññìîòðèì

x −x/a e . a2 1) Ïîêàæèòå, ÷òî f (x) ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê êðèâàÿ ñìåðòåé. 2) Îïðåäåëèòå âèä ñîîòâåòñòâóþùèõ ôóíêöèè âûæèâàíèÿ s(x) è èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè µx , à òàêæå ñîîòâåòñòâóþùóþ ñðåäíþþ ïðîäîë◦ æèòåëüíîñòü æèçíè e◦ . 3) Ïðîàíàëèçèðóéòå ñòåïåíü ñîîòâåòñòâèÿ ïðåäëîæåííîãî àíàëèòè÷åñêîãî îïèñàíèÿ ðåàëüíûì äàííûì ñ ïîìîùüþ òàáëèöû ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè (ñðàâíèòå ñðåäíåå âðåìÿ æèçíè ñ òî÷êîé ìàêñèìóìà êðèâîé ñìåðòåé). 4) Íàéäèòå äèñïåðñèþ ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè. f (x) =

Çàäàíèå 2.7.5 Ðàññìîòðèì òðè òàáëèöû çíà÷åíèé ôóíêöèé âûæèâàíèÿ çàäàíèÿ 2.18.1. Ïîäñ÷èòàéòå ñðåäíåå è äèñïåðñèþ ÷èñëà ïðåäñòàâèòåëåé èñõîäíîé ãðóïïû â l0 íîâîðîæäåííûõ, êîòîðûå óìðóò â âîçðàñòå îò 50 äî 70 ëåò.

Çàäàíèå 2.7.6 Àïïðîêñèìèðóéòå âûáðàííóþ èç çàäàíèÿ 2.18.1 êàêóþ-ëèáî ôóíêöèþ âûæèâàíèÿ si (x), i = 1, 2, 3, èñïîëüçóÿ ìîäåëü Âåéáóëëà äëÿ öåëûõ n = 2, 4. 1) Íàéäèòå ïàðàìåòð k ñ ïîìîùüþ ÌÍÊ. 2) Ïîñòðîéòå ãðàôèêè ïîëó÷åííûõ àïïðîêñèìàöèé ïðè n = 2, 4, âûÿñíèòå êàêàÿ èç ïîñòðîåííûõ ìîäåëåé íàèëó÷øàÿ â ñìûñëå íåêîòîðîãî êðèòåðèÿ, âûáîðîì êîòîðîãî ðàñïîðÿäèòåñü ñàìîñòîÿòåëüíî. 3) Êàê íàéòè îïòèìàëüíîå çíà÷åíèå n? 4) Ìîæíî ëè ïðîâåñòè îäíîâðåìåííî îïòèìèçàöèþ ïî ïàðàìåòðàì k è n?

Çàäàíèå 2.7.7 Ïðåäïîëîæèì, ÷òî êðèâàÿ ñìåðòåé îïèñûâàåòñÿ ôîðìóëîé x f (x) = 2 e−x/a , x ≥ 0. a 1) Íàéäèòå ôóíêöèþ ðàñïðåäåëåíèÿ Fx (t) îñòàòî÷íîãî âðåìåíè æèçíè T (x) = X − x (X, x ìîìåíò ñìåðòè è âîçðàñò èíäèâèäà, ñîîòâåòñòâåííî), Fx (t) = P (T (x ≤ t)). 23

2) Ïîêàæèòå, ÷òî ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ îñòàòî÷íîãî âðåìåíè æèçd íè fx (t) = Fx (t) ÿâëÿåòñÿ âçâåøåííîé ñóììîé ýêñïîíåíöèàëüíîé ïëîòdt t 1 íîñòè e−t/a è ýðëàíãîâñêîé ïëîòíîñòè 2 e−t/a . a a 3) Íàéäèòå âåðîÿòíîñòü P (T (x) > t), ïðåäåë lim P (T (x) > t) è âûx→∞ ÿñíèòå, ìîæíî ëè ïðèìåíÿòü òàêóþ àïïðîêñèìàöèþ êðèâîé ñìåðòåé äëÿ áîëüøèõ âîçðàñòîâ x.

24

3

ÎÑÒÀÒÎ×ÍÀß ÏÐÎÄÎËÆÈÒÅËÜÍÎÑÒÜ ÆÈÇÍÈ

3.1

Îñòàòî÷íîå âðåìÿ æèçíè (time-untill-death), åãî ðàñïðåäåëåíèå

Åñëè ÷åëîâåê äîæèë äî âîçðàñòà x ëåò, òî ñòðàõîâóþ êîìïàíèþ, â ñèëó ñïåöèôèêè åå äåÿòåëüíîñòè, èíòåðåñóåò, âîîáùå ãîâîðÿ, óæå íå åãî îáùàÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè X, à îñòàòî÷íîå âðåìÿ æèçíè T (x) = X − x. Íàéäåì ôóíêöèþ ðàñïðåäåëåíèÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû T (x), êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ óñëîâíîé ôóíêöèåé ðàñïðåäåëåíèÿ âåëè÷èíû X − x ïðè óñëîâèè, ÷òî X > x :

Fx (t) = P(T (x) ≤ t) = P(X − x ≤ t|X > x) = T P(X ≤ x + t X > x) = = P(X ≤ x + t|X > x) = t qx = P(X > x) P(x < X ≤ x + t) F (x + t) − F (x) = . (3.1.1) P(X > x) 1 − F (x) Åñëè èçâåñòíû òàáëè÷íûå çíà÷åíèÿ lx è lx+t , òî ÷åðåç íèõ ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ Fx (t) âûðàæàåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: =

Fx (t) =

s(x) − s(x + t) lx /l◦ − lx+t /l◦ lx − lx+t = = . s(x) lx /l◦ lx

Âîñïîëüçîâàâøèñü (3.1.1), íàéäåì òåïåðü ïëîòíîñòü fx (t) ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû T (x) :

fx (t) =

d f (x + t) Fx (t) = , 0 ≤ t < ∞. dt 1 − F (x)

Â êà÷åñòâå ïðèìåðîâ ðàññìîòðèì çàêîíû äå Ìóàâðà è Ìýéêõàìà. Ìîäåëü äå Ìóàâðà . Ââåäåì äëÿ óäîáñòâà îáîçíà÷åíèå 1, åñëè x ∈ (a, b] Ix (a, b] = . 0, åñëè x ∈ / (a, b] Ïóñòü ðàñïðåäåëåíèå ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè îïèñûâàåòñÿ çàêîíîì äå Ìóàâðà, äëÿ êîòîðîãî ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ è ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ, ñîîòâåòñòâåííî, çàäàþòñÿ ôîðìóëàìè:

f (x) =

Ix (0, ω) , ω

s(x) = Ix (−∞, ω) − 25

x Ix (0, ω) . ω

Òàê êàê 0 < X < ω, òî 0 < T (x) < ω − x, è

Fx (t) =

t It (0, ω − x) + It [ω − x, ∞), ω−x

à äëÿ t ∈ (0, ω − x)

fx (t) =

d dt

t ω−x

=

1 , ω−x

t ∈ (0, ω − x],

(3.1.2)

ò.å. îñòàòî÷íîå âðåìÿ æèçíè T (x) òàêæå ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåíî, îäíàêî íà ïðîìåæóòêå (0, ω − x). Ìîäåëü Ìýéêõàìà . Äëÿ ýòîãî çàêîíà Z x αt µt = A + B e , s(x) = exp − µt dt = exp [−Ax − B (eα x − 1)/α] , 0 0

αx

f (x) = −s (x) = [A + B e

] exp [−Ax − B (eα x − 1)/α] ,

h i f (x + t) = [A + B eα (x+t) ] exp −A(x + t) − B (eα (x+t) − 1)/α . Ïîýòîìó ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ îñòàòî÷íîãî âðåìåíè æèçíè

fx (t) =

f (x + t) = [A + B eα x eα t ]exp −At − B eα x (eα t − 1)/α , s(x)

îòêóäà ñëåäóåò, ÷òî îñòàòî÷íîå âðåìÿ æèçíè T (x) òàêæå èìååò ðàñïðåäåëåíèå Ìýéêõàìà ñ òàêèìè ïàðàìåòðàìè: Ax = A, Bx = B eα x , αx = α.

3.2

Âåëè÷èíû, ñâÿçàííûå ñ T (x): t qx , tx , qx , px , t|u qx , t| qx

Â àêòóàðíîé ìàòåìàòèêå âåðîÿòíîñòü P(T (x) ≤ t) è äîïîëíèòåëüíàÿ âåðîÿòíîñòü P(T (x) > t), îáîçíà÷àåìûå ñèìâîëàìè t qx è tx , â ñîîòâåòñòâèè ñ (3.1.1) îïðåäåëÿþòñÿ ñëåäóþùèìè ôîðìóëàìè: t qx

tx

= P(T (x) ≤ t) =

s(x) − s(x + t) , s(x)

= P(T (x) > t) = 1 − t qx =

s(x + t) . s(x)

(3.2.1) (3.2.2)

Âåëè÷èíà t qx âûðàæàåò âåðîÿòíîñòü ñìåðòè ÷åëîâåêà âîçðàñòà x ëåò â ïðîìåæóòêå âðåìåíè (x, x + t], à tx âåðîÿòíîñòü, ÷òî òàêîé ÷åëîâåê äîæèâåò äî âîçðàñòà x + t. 26

Ïðè t = 1 ïåðåäíèå èíäåêñû ó t qx è ôîðìóë (3.2.1) è (3.2.2) ïîëó÷àåì

qx = P(T (x) ≤ 1) =

tx

îïóñêàþòñÿ, è èç îáùèõ

s(x) − s(x + 1) lx − lx+1 = , s(x) lx

(3.2.3)

s(x + 1) lx+1 = . (3.2.4) s(x) lx Ïåðåìåííûå qx è x ÷àùå âñåãî èñïîëüçóþòñÿ íà ïðàêòèêå; âåëè÷èíà qx ðàâíà âåðîÿòíîñòè ñìåðòè èíäèâèäóóìà âîçðàñòà x ëåò â òå÷åíèå áëèæàéøåãî ãîäà, à px âåðîÿòíîñòè, ÷òî îí ïðîæèâåò åùå ïî êðàéíåé ìåðå îäèí ãîä. Ó÷èòûâàÿ ôîðìóëó (3.2.3), ïðåäñòàâèì x

= P(T (x) > 1) =

qx =

dx . lx

Âåëè÷èíà qx ÿâëÿåòñÿ òðåòüåé îñíîâíîé õàðàêòåðèñòèêîé, êîòîðàÿ âõîäèò â ÒÏÆ (Ïðèëîæåíèå 1). Òàê êàê lx = l◦ s(x), dx ≈ l◦ f (x), òî f (x) qx ≈ = µx , ò.å. ôîðìà êðèâîé qx ïðèáëèæåííî ñîâïàäàåò ñ ôîðìîé s(x) êðèâîé ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè. Òàêèì îáðàçîì, ìû âûÿñíèëè ñìûñë òðåõ îñíîâíûõ âåëè÷èí, ñîäåðæàùèõñÿ â ÒÏÆ: lx = l◦ s(x) ñâÿçàíà ÷åðåç ìóëüòèïëèêàòèâíûé ìíîæèòåëü l◦ ñ ôóíêöèåé âûæèâàíèÿ s(x) è ïîâòîðÿåò åå õàðàêòåð èçìåíåíèÿ â çàâèñèìîñòè îò âîçðàñòà x; dx ≈ l◦ f (x) ñâÿçàíà ïðèáëèæåííûì ðàâåíñòâîì ÷åðåç ìóëüòèïëèêàòèâíûé ìíîæèòåëü l◦ ñ êðèâîé ñìåðòåé f (x) è ïîâòîðÿåò ïðèáëèæåííî åå õàðàêòåð èçìåíåíèÿ â çàâèñèìîñòè îò âîçðàñòà x; f (x) qx ≈ = µx ñîâïàäàåò ïðèáëèçèòåëüíî ñ èíòåíñèâíîñòüþ ñìåðòs(x) íîñòè µx . Â ñòðàõîâîì äåëå âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü ðàññìàòðèâàòü è áîëåå ñëîæíûå ñëó÷àè. Íàïðèìåð, îïðåäåëèì âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî ÷åëîâåê âîçðàñòà x ïðîæèâåò t ëåò, íî óìðåò íà ïðîòÿæåíèè ñëåäóþùèõ u ëåò. Ýòó âåðîÿòíîñòü îáîçíà÷àþò t|u qx

= P(t < T (x) ≤ t + u),

(3.2.5)

è îíà ìîæåò áûòü âûðàæåíà èëè ÷åðåç ôóíêöèþ t qx , èëè tx , èëè, ïðèíèìàÿ âî âíèìàíèå ñîîòíîøåíèÿ (3.2.1) è (3.2.2), ÷åðåç îñíîâíóþ ôóíêöèþ ñòðàõîâîé ìàòåìàòèêè ôóíêöèþ âûæèâàíèÿ s(x) : t|u qx

= P(t < T (x) ≤ t + u) = 27

= P(T (x) ≤ t + u) − P(T (x) ≤ t) = t+u qx − t qx , = P(t < T (x) ≤ t + u) =

t|u qx

= P(T (x) > t) − P(T (x) > t + u) = t px − t+u px , t|u qx

(3.2.6)

=

s(x + t) − s(x + t + u) . s(x)

(3.2.7) (3.2.8)

Ñíîâà ñëó÷àé u = 1 íàèáîëåå èíòåðåñåí äëÿ ïðàêòèêè ñòðàõîâàíèÿ æèçíè, è, êàê îáû÷íî, ýòîò èíäåêñ îïóñêàåòñÿ. Ñîãëàñíî ôîðìóëàì (3.2.6), (3.2.7) è (3.2.8) èìååì: t| qx

3.3

= t+1 qx − t qx = t px − t+1 px =

s(x + t) − s(x + t + 1) . s(x)

(3.2.9)

Ñðåäíåå îñòàòî÷íîå âðåìÿ æèçíè, åãî äèñïåðñèÿ. Êîýôôèöèåíò àñèììåòðèè è ýêñöåññ

Â àêòóàðíîé ìàòåìàòèêå ñðåäíåå îñòàòî÷íîãî âðåìåíè æèçíè ÷åëîâåêà âîçðàñòà x îáîçíà÷àåòñÿ ◦ ex = ET (x); ýòó õàðàêòåðèñòèêó ÷àñòî èñïîëüçóþò ïðè àíàëèçå ñèòóàöèè íà ðûíêå ◦ ñòðàõîâûõ óñëóã. Ïîíÿòíî, ÷òî ET (0) = EX =e◦ , è, ñëåäîâàòåëüíî, ñðåä◦ íÿÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè e◦ áîëüøå ñðåäíåãî îñòàòî÷íîãî âðåìåíè ◦ æèçíè ex äëÿ ëþáîãî x > 0. Òàê êàê T (x) ÿâëÿåòñÿ íåîòðèöàòåëüíîé ñëó÷àéíîé âåëè÷èíîé, òî, âîñïîëüçîâàâøèñü òåîðåìîé 2.4.1, ïîëó÷àåì Z ∞ Z ∞ ◦ ex = ET (x) = t dFx (t) = t dP(T (x) ≤ t) = 0

=

Z

0

∞

P(T (x) > t) dt =

0

Z

∞ t px

dt.

0

Ïðèìåíèâ ôîðìóëó (3.2.2) è ïðåîáðàçîâàâ ïîñëåäíèé èíòåãðàë Z ∞ Z ∞ Z ∞ 1 1 p dt = s(x + t) dt = s(u) du, t x s(x) 0 s(x) x 0 ïðèõîäèì ê ñîîòíîøåíèþ ◦

ex =

1 s(x)

Z

∞

x

28

s(u) du.

(3.3.1)

Ðàññóæäàÿ àíàëîãè÷íî, äëÿ âòîðîãî íà÷àëüíîãî ìîìåíòà ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû T (x) èìååì: Z ∞ Z ∞ E[T (x)]2 = 2 t P(T (x) > t) dt = 2 t t px dt = 0

0

= îòêóäà

DT (x) =

2 s(x) 2 s(x)

∞

Z

t s(x + t) dt,

0

Z

∞

◦ 2 t s(x + t) dt − ex .

0

Äëÿ íàõîæäåíèÿ êîýôôèöèåíòà àñèììåòðèè è ýêñöåññà íåîáõîäèìî îïðåäåëèòü E[T (x)]3 è E[T (x)]4 :

E[T (x)]3 = Z ∞ Z ∞ 2 =3 t P(T (x) > t) dt = 3 t2 t px dt = 0

0

E[T (x)]4 =

Z

4 s(x)

∞

3 s(x)

∞

Z

t2 s(x + t) dt,

0

t3 s(x + t) dt.

0 ◦

ex , äèñïåðñèþ DT (x) è ñðåäíåå êâàÏðèìåð 3.3.1. Íàéòè ñðåäíåå p

äðàòè÷åñêîå îòêëîíåíèå σ(T (x)) = DT (x) îñòàòî÷íîãî âðåìåíè æèçíè T (x) â ìîäåëè äå Ìóàâðà. Ð å ø å í è å. Äëÿ ýòîé ìîäåëè

P(T (x) > t) = t px =

s(x + t) 1 − (x + t)/ω = , s(x) 1 − x/ω

0 ≤ t ≤ ω − x.

Òàêèì îáðàçîì, Z ω−x Z 0 ω−x−t −1 ω−x ◦ ex = dt = u du = . ω − x ω − x 2 0 ω−x Ïðîùå ôîðìóëó (3.3.2) ïîëó÷èòü èç (3.3.1): Z ω Z 0 ω ω−t −1 ω−x ◦ ex = dt = u du = . ω−x x ω ω − x ω−x 2 Òàêæå íåòðóäíî ïîêàçàòü, ÷òî

DT (x) =

(ω − x)2 . 12

29

(3.3.2)

3.4

Ñìåøàííîå ñòðàõîâàíèå. ×àñòè÷íàÿ îñòàòî÷íàÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè

Ðàññìîòðèì n-ëåòíåå ñòðàõîâàíèå íà äîæèòèå (n-year endowment insurance) èëè ñìåøàííîå ñòðàõîâàíèå, ñóòü êîòîðîãî ñîñòîèò â òîì, ÷òî êëèåíò çàêëþ÷àåò äîãîâîð ñòðàõîâàíèÿ íà n ëåò, è âûïëàòà ïðîèçâîäèòñÿ: ëèáî â ìîìåíò ñìåðòè çàñòðàõîâàííîãî, åñëè îíà íàñòóïèëà äî îêîí÷àíèÿ n-ëåòíåãî ïåðèîäà, ëèáî â êîíöå n-ëåòíåãî ïåðèîäà, åñëè çàñòðàõîâàííûé îñòàëñÿ æèâ. Ìîìåíò ñòðàõîâîé âûïëàòû âûðàæàåòñÿ ôîðìóëîé min (T (x), n) è íàçûâàåòñÿ ÷àñòè÷íîé ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ æèçíè , à ñîîòâåòñòâóþùåå ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå ÷àñòè÷íîé ñðåäíåé ïðîäîëæèòåëüíî◦ ñòüþ æèçíè è îáîçíà÷àåòñÿ ex:ne : ◦

ex:ne = E min(T (x), n). ×òîáû ïðèìåíèòü òåîðåìó 2.4.1, íåîáõîäèìî íàéòè âåðîÿòíîñòü P(min(T (x), n) > t). Òàê êàê äëÿ t < n ñîáûòèå min (T (x), n) > t ðàâíîñèëüíî ñîáûòèþ T (x) > t, òî t px , åñëè 0 ≤ t < n P(min(T (x), n) > t) = 0, åñëè t ≥ n. Ïðèâëåêàÿ ôîðìóëó (3.2.2), ïîëó÷àåì: Z n Z x+n Z n 1 1 ◦ ex:ne = s(x + t) dt = s(u) du. p dt = t x s(x) 0 s(x) x 0 Äëÿ äèñïåðñèè ÷àñòè÷íîé ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè èìååì Z n Z n 2 ◦ ◦ D min(T (x), n) = 2 t t px dt − (ex:ne )2 = t s(x + t) dt − (ex:ne )2 . s(x) 0 0

Ïðèìåð 3.4.1. Íàéòè ñðåäíåå è äèñïåðñèþ ÷àñòè÷íîé ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè â ìîäåëè äå Ìóàâðà. Ð å ø å í è å. Ïðåæäå âñåãî îòìåòèì, ÷òî x + n < ω, ïîýòîìó Z x+n Z x+n 1 1 ◦ ex:ne = s(u) du = (1 − u/ω) du = s(x) x 1 − x/ω x Z x+n 1 2n(ω − x) − n2 n2 = (ω − u) du = =n− . (3.4.1) ω−x x 2(ω − x) 2(ω − x) Èç ôîðìóëû (3.4.1) ñëåäóåò, ÷òî 30

◦

1) ex:ne < n; ◦

◦

2) åñëè n = ω è x = 0, òî e0:ωe =e◦ = ω/2; ◦

3) åñëè x = ω − n, òî e(ω−n):ne = n/2. Òàêæå íåòðóäíî ïîëó÷èòü âûðàæåíèå äëÿ äèñïåðñèè:

D min(T (x), n) =

n3 n4 − . 3(ω − x) 4(ω − x)2

(3.4.2)

Èç ôîðìóëû (3.4.2) ñëåäóåò, ÷òî ïðè n = ω è x = 0

D min(T (x), ω) =

ω2 , 12

ò.å. ïîëó÷àåì èçâåñòíûé ðåçóëüòàò äëÿ äèñïåðñèè ðàâíîìåðíîãî çàêîíà ðàñïðåäåëåíèÿ íà èíòåðâàëå (0, ω). Ðàññìîòðèì äëÿ ω = 90 ëåò äâà êîíêðåòíûõ ñëó÷àÿ ïðè n = 5 è n = 10 ëåò. Çíà÷åíèÿ ñðåäíèõ è äèñïåðñèé ÷àñòè÷íûõ ñðåäíèõ ïðîäîëæèòåëüíîñòåé æèçíè, âû÷èñëåííûå ïî ôîðìóëàì (3.4.1) è (3.4.2), äëÿ ðÿäà âîçðàñòîâ è n = 5, 10 ñâåäåíû â ñëåäóþùóþ òàáëèöó:

x ◦

ex:5e D min(T (x), 5) ◦ ex:10e D min(T (x), 10) 60 4,583 1,215 8,333 8,333

3.5

70 4,375 1,632 7,500 13,542

0 4,853 0,444 9,445 2,777 80 3,750 3,604 5,000 8,333

10 4,844 0,496 9,375 3,836 85 2,500 2,080

20 4,812 0,563 9,286 4,252

30 4,792 0,651 9,167 4,861

40 4,750 0,771 9,000 5,666

50 4,688 0,943 8,750 6,771

90

Îêðóãëåííîå îñòàòî÷íîå âðåìÿ æèçíè, åãî ðàñïðåäåëåíèå, ñðåäíåå è äèñïåðñèÿ

Â àêòóàðíîé ìàòåìàòèêå íàðÿäó ñ îñòàòî÷íûì âðåìåíåì æèçíè T (x) ðàññìàòðèâàþò åãî öåëóþ ÷àñòü K(x) = [T (x)], êîòîðóþ íàçûâàþò îêðóãëåííîé îñòàòî÷íîé ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ æèçíè (curtate-future-lifetime). Ýòî ñâÿçàíî ñî ñëåäóþùèìè ïðè÷èíàìè: 1) ÷åëîâåê îáû÷íî ñ÷èòàåò ñâîé âîçðàñò â öåëûõ ãîäàõ; 2) äîãîâîðû ñòðàõîâàíèÿ æèçíè, êàê ïðàâèëî, çàêëþ÷àþòñÿ íà öåëîå ÷èñëî ëåò; 31

3) â ÒÏÆ ïðèâîäÿòñÿ äàííûå äëÿ âîçðàñòîâ â öåëûõ ãîäàõ. Åñëè T (x) = 10 ëåò 9 ìåñÿöåâ = 10, 75 ëåò, òî K(x) = 10 ëåò. Òàêèì îáðàçîì, ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà K(x) ÿâëÿåòñÿ äèñêðåòíîé ñëó÷àéíîé âåëè÷èíîé, ïðèíèìàþùåé öåëûå çíà÷åíèÿ. Êàê èçâåñòíî, èñ÷åðïûâàþùåé õàðàêòåðèñòèêîé òàêîé ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû ÿâëÿåòñÿ íàáîð âåðîÿòíîñòåé P(K(x) = k), k = 0, 1, 2, . . . Ïîíÿòíî, ÷òî

P(K(x) = k) = P(k ≤ T (x) < k + 1).

Òàê êàê T (x) íåïðåðûâíàÿ ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà, òî

P(T (x) = k) = P(T (x) = k + 1) = 0, è ïîýòîìó

P(K(x) = k) = P(k < T (x) ≤ k + 1) = =

s(x + k) − s(x + k + 1) = k px − k+1 px . s(x)

Òåïåðü, ó÷èòûâàÿ, ÷òî X = T (0), ìîæíî îïðåäåëèòü ðàñïðåäåëåíèå è îêðóãëåííîãî âðåìåíè æèçíè K(0) = [X] :

P(K(0) = k) =

s(k) − s(k + 1) lk − lk+1 dk = s(k) − s(k + 1) = = . s(0) l◦ l◦

Íî òàê êàê dx ≈ l◦ f (x), òî

P(K(0) = k) ≈ f (k),

(3.5.1)

ãäå f (x) ïëîòíîñòü ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû X, ïðè÷åì â ïðàâîé ÷àñòè ïðèáëèæåííîãî ðàâåíñòâà (3.5.1), âîîáùå ãîâîðÿ, ïðàâèëüíåå ïèñàòü f (k) · 1 ãîä, òàê êàê â åãî ëåâîé ÷àñòè íàõîäèòñÿ áåçðàçìåðíàÿ âåëè÷èíà. Ïîýòîìó ðàâåíñòâî 3.5.1 ïîäðàçóìåâàåò, ÷òî

P(K(0) = k) ≈ f (k) · 1ãîä, îòêóäà âèäíî, ÷òî êðèâàÿ ñìåðòåé òåñíî ñâÿçàíà ñ ðàñïðåäåëåíèåì îêðóãëåííîãî âðåìåíè æèçíè. Ñðåäíåå ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû K(x) íàçûâàåòñÿ ñðåäíåé îêðóãëåííîé îñòàòî÷íîé ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ æèçíè , îáîçíà÷àåòñÿ

ex = E K(x),

32

è ñîãëàñíî îïðåäåëåíèþ ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ äëÿ äèñêðåòíîé ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû

ex =

∞ X

k P(K(x) = k).

k=1

Òàê êàê

s(x + k) − s(x + k + 1) s(x)

P(K(x) = k) = è

∞ X

k[s(x + k) − s(x + k + 1)] = 1 · s(x + 1) + 2 · s(x + 2) + · · ·

k=1

· · · − 1 · s(x + 2) − 2 · s(x + 3) − · · · =

∞ X

s(x + k),

k=1

òî

∞

ex =

1 X s(x + k). s(x) k=1

Àíàëîãè÷íî íàõîäèòñÿ âòîðîé íà÷àëüíûé ìîìåíò:

E [K(x)]2 =

∞ X

k 2 P(K(x) = k) =

k=0

(

1 = s(x)

∞ X

2

k s(x + k) −

k=0

1 = s(x) −

∞ X

2

=

)

2

k s(x + k + 1)

=

k=0

(

∞ X

k 2 s(x + k)−

k=0

(k + 1) s(x + k + 1) +

k=0

∞ X

∞ X

)

(2k + 1) s(x + k + 1)

=

k=0 ∞

∞

k=1

k=1

1 X 2 X (2k − 1) s(x + k) = k s(x + k) − ex , s(x) s(x)

òàê êàê ∞ X

k=0

k 2 s(x + k) −

∞ X

(k + 1)2 s(x + k + 1) +

k=0

∞ X

k=0

33

(2k + 1) s(x + k + 1) =

= 12 · s(x + 1) + 22 · s(x + 2) + 32 · s(x + 3) + · · · · · · − 12 · s(x + 1) − 22 · s(x + 2) − 32 · s(x + 3) − · · · · · · + 1 · s(x + 1) + 3 · s(x + 2) + 5 · s(x + 3) + · · · =

∞ X

(2k − 1)s(x + k).

k=1

Òåïåðü ëåãêî ïîëó÷àåì äèñïåðñèþ ∞

2

D K(x) = E [K(x)] −

e2x

2 X = k s(x + k) − ex − e2x . s(x) k=1

Âñå ÷èñëîâûå õàðàêòåðèñòèêè îêðóãëåííîãî âðåìåíè æèçíè âûðàæàþòñÿ ÷åðåç ôóíêöèè âûæèâàíèÿ, ïîýòîìó, â ñèëó ðàâåíñòâà (2.1.2), èõ òàêæå ìîæíî íàõîäèòü è ïî äàííûì ÒÏÆ. Â ÷àñòíîñòè, ∞ 1 X ex = lx+k , lx k=1

E [K(x)]2 =

2 lx

∞ X

k lx+k − ex ,

k=1

∞ 1 X e◦ = lk , l◦ k=1

E [K(0)]2 =

∞ 2 X k lk − e◦ . l◦ k=1

Ïðèìåð 3.5.1. Ïî äàííûì ÒÏÆ (Ïðèëîæåíèå 1) îòäåëüíî äëÿ ìóæ÷èí è æåíùèí íàéäèòå: 1) ñðåäíèå îêðóãëåííûå ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè e89 , e88 , e84 ; 2) äèñïåðñèè îêðóãëåííûõ ïðîäîëæèòåëüíîñòåé æèçíè DK(89), DK(88). Ð å ø å í è å. Äëÿ ìóæ÷èí: e89 = e88 =

290 = 0, 2, 1449

DK(89) =

2 · 290 − 0, 2 − (0, 2)2 = 0, 16; 1449

1449 + 290 = 0, 48, 3623 DK(88) =

2(1 · 1449 + 2 · 290) − 0, 48 − (0, 48)2 = 0, 41; 3623

9063 + 7546 + 6037 + 3623 + 1449 + 290 = 2, 6. 10735 Äëÿ æåíùèí: e84 =

e89 =

806 = 0, 2, 4030

DK(89) = 34

2 · 806 − 0, 2 − (0, 2)2 = 0, 16; 4030

e88 =

4030 + 806 = 0, 48, 10075 DK(88) =

e84 =

2(1 · 4030 + 2 · 806) − 0, 48 − (0, 48)2 = 0, 41; 10075

24265 + 20988 + 16791 + 10075 + 4030 + 806 = 2, 75. 27665

35

3.6


Ïðåäïîëîæèì, ÷òî êðèâàÿ ñìåðòåé îïèñûâàåòñÿ ôîðìóëîé

f (x) =

x −x/a e , x ≥ 0. a2

1) Íàéäèòå ôóíêöèþ ðàñïðåäåëåíèÿ Fx (t) îñòàòî÷íîãî âðåìåíè æèçíè T (x) = X − x. 2) Ïîêàæèòå, ÷òî ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ îñòàòî÷íîãî âðåìåíè æèçd íè fx (t) = Fx (t) ÿâëÿåòñÿ âçâåøåííîé ñóììîé ýêñïîíåíöèàëüíîé ïëîòdt 1 t íîñòè e−t/a è ýðëàíãîâñêîé ïëîòíîñòè 2 e−t/a . a a 3) Íàéäèòå âåðîÿòíîñòü P (T (x) > t), ïðåäåë lim P (T (x) > t) è âûx→∞ ÿñíèòå, ìîæíî ëè ïðèìåíÿòü òàêóþ àïïðîêñèìàöèþ êðèâîé ñìåðòåé äëÿ áîëüøèõ âîçðàñòîâ x.

Çàäàíèå 3.6.2 Èñïîëüçóÿ ÒÏÆ Ïðèëîæåíèÿ 1 îöåíèòå âåðîÿòíîñòè òîãî, ÷òî èíäèâèäóóì (21): 1) äîæèâåò äî 70, 80, 90 ëåò; 2) óìðåò äî 70, 80, 90 ëåò; 3) óìðåò îò 60 äî 70, îò 70 äî 80, îò 80 äî 90 ëåò.

Çàäàíèå 3.6.3 Ðàñêðîéòå ñìûñë ñëåäóþùèõ îáîçíà÷åíèé àêòóàðíîé ìàòåìàòèêè:

p21 ,

5 p21 ,

q21 ,

5 q21 ,

1| q21 ,

3| q25 ,

3|4 q29 ,

q60 q80 , . q20 q20

Èñïîëüçóÿ ÒÏÆ Ïðèëîæåíèÿ 1 îöåíèòå ïðèâåäåííûå âûøå âåëè÷èíû.

Çàäàíèå 3.6.4 Äîêàçàòü, ÷òî t|u qx

= t px · u qx+t .

36

Çàäàíèå 3.6.5 Èñïîëüçóÿ âûáðàííóþ èç Çàäàíèÿ 2.18.1 êàêóþ-ëèáî òàáëèöó äëÿ ôóíêöèè âûæèâàíèÿ îïðåäåëèòü âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî îñòàòî÷íîå âðåìÿ æèçíè (20) ëåæèò â ïðîìåæóòêå îò 30 äî 40 ëåò, îò 40 äî 50 ëåò, îò 70 äî 80 ëåò.

Çàäàíèå 3.6.6 Íàéäèòå äèñïåðñèþ ÷àñòè÷íîé ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè â ìîäåëè äå Ìóàâðà, ïîñòðîéòå åå ãðàôèêè â çàâèñèìîñòè îò âîçðàñòà ñòðàõóþùåãîñÿ äëÿ n = 5 è n = 10 ëåò.

Çàäàíèå 3.6.7 Ïóñòü ôóíêöèè âûæèâàíèÿ çàäàþòñÿ ôîðìóëàìè: r x + a −x/a x s1 (x) = e , x ≥ 0; s2 (x) = 1 − , 0 ≤ x ≤ 110. a 110 Íàéäèòå: ◦ 1) ñðåäíþþ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè e◦ ; ◦ 2) ïîëíóþ âåðîÿòíóþ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè ex ; 3) äèñïåðñèþ ñðåäíåãî îñòàòî÷íîãî âðåìåíè æèçíè DT (x); ◦ 4) ÷àñòè÷íóþ ñðåäíþþ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè ex:ne ; 5) äèñïåðñèþ ÷àñòè÷íîé ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè D{min(T (x), n)}. Èçîáðàçèòå ãðàôè÷åñêè ïîëó÷åííûå çàâèñèìîñòè, ïðîâåäèòå ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç.

Çàäàíèå 3.6.8 Ïî äàííûì ÒÏÆ (Ïðèëîæåíèå 1) îòäåëüíî äëÿ ìóæ÷èí è æåíùèí íàéäèòå: 1) ñðåäíèå îêðóãëåííûå ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè e◦ , e10 , e21 , e40 , e70 ; 2) äèñïåðñèè îêðóãëåííûõ ïðîäîëæèòåëüíîñòåé æèçíè DK(0), DK(21), DK(70), DK(84). Îáñóäèò

37

4

ÄÐÎÁÍÀß

ÏÐÎÄÎËÆÈÒÅËÜÍÎÑÒÜ

ÆÈÇÍÈ

4.1

Ñïëàéíîâûå àïïðîêñèìàöèè äëÿ äðîáíûõ âîçðàñòîâ (fractional ages)

Ðåàëüíàÿ ñòàòèñòèêà äîñòóïíà îáû÷íî òîëüêî äëÿ öåëûõ çíà÷åíèé x (â ãîäàõ), ÷òî îáóñëîâëåíî êàê îïðåäåëåííûìè òðàäèöèÿìè è óäîáñòâîì ñáîðà ñòàòèñòè÷åñêèõ äàííûõ, òàê è ôîðìîé èõ ïðåäñòàâëåíèÿ â ÒÏÆ, ãäå àðãóìåíòû x, êàê ïðàâèëî, ïðèíèìàþò çíà÷åíèÿ 0, 1, 2, . . . . Òàê êàê áîëüøèíñòâî êëèåíòîâ â ñâîé äåíü ðîæäåíèÿ â ñòðàõîâóþ êîìïàíèþ íå ïðèõîäÿò, òî äëÿ ðàáîòû ñ êîíêðåòíûìè èíäèâèäóóìàìè íóæíî óìåòü íàõîäèòü ïðèáëèæåíèÿ íåêîòîðûõ âåðîÿòíîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê äëÿ äðîáíûõ âîçðàñòîâ ïî èõ èçâåñòíûì çíà÷åíèÿì äëÿ öåëûõ x. Ðàññìîòðåííàÿ çàäà÷à åñòü òèïè÷íàÿ çàäà÷à èíòåðïîëÿöèè, ïðè÷åì ìîæíî îãðàíè÷èòüñÿ åå ðåøåíèåì òîëüêî äëÿ ôóíêöèè âûæèâàíèÿ s(x), òàê êàê äðóãèå âåëè÷èíû ìîæíî âûðàçèòü ÷åðåç s(x). Â àêòóàðíîé ìàòåìàòèêå ýòó çàäà÷ó ðåøàþò ñ ïîìîùüþ òàê íàçûâàåìûõ ñïëàéíîâ. Ðàññìîòðèì òðè ïîñòóëàòà, äàþùèå ðàçëè÷íûå ïðèáëèæåíèÿ: 1. ðàâíîìåðíîå ðàñïðåäåëåíèå ñìåðòåé, 2. ïîñòîÿííàÿ èíòåíñèâíîñòü ñìåðòíîñòè, 3. ïðåäïîëîæåíèå Áàëäó÷÷è (Balducci).

Ðàâíîìåðíîå ðàñïðåäåëåíèå ñìåðòåé Â ýòîì ñëó÷àå ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ èíòåðïîëèðóåòñÿ ëèíåéíîé ôóíêöèåé âèäà s(x) = an + bn x ïðè n ≤ x ≤ n + 1. Òàê êàê s(n) è s(n + 1) èçâåñòíû (íàïðèìåð, èç ÒÏÆ), ñîñòàâëÿåì óðàâíåíèÿ

an + bn n = s(n) an + bn (n + 1) = s(n + 1) è îïðåäåëÿåì íåèçâåñòíûå an è bn (âû÷èòàåì èç âòîðîãî óðàâíåíèÿ ïåðâîå óðàâíåíèå): bn = s(n + 1) − s(n), an = s(n)(n + 1) − s(n + 1)n. Îòìåòèì, ÷òî bn < 0. Ñëåäîâàòåëüíî, íà îòðåçêå n ≤ x ≤ n + 1 ôóíêöèÿ s(x) àïïðîêñèìèðóåòñÿ ëèíåéíûì ñïëàéíîì âèäà

s(x) = (n + 1 − x)s(n) + (x − n)s(n + 1), 38

(4.1.1)

n ≤ x ≤ n + 1. Îòñþäà äëÿ êðèâîé ñìåðòåé f (x) è èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè µx ïîëó÷àåì ñîîòâåòñòâåííî: 0

f (x) = −s (x) = s(n) − s(n + 1), µx =

n < x < n + 1,

f (x) s(n) − s(n − 1) = = s(x) (n + 1 − x)s(n) + (x − n)s(n + 1)

s(n) − s(n + 1) . (n + 1)s(n) − ns(n + 1) − x[s(n) − s(n + 1)] Òàêèì îáðàçîì, f (x) = −bn = s(n) − s(n + 1),

(4.1.2)

=

n < x < n + 1.

s(n) − s(n + 1) , ðàâs(n) íîé âåðîÿòíîñòè òîãî, ÷òî ÷åëîâåê â âîçðàñòå n ëåò óìðåò â òå÷åíèè áëèæàéøåãî ãîäà, ïðåîáðàçóåì ôîðìóëó (4.1.2) ê áîëåå óäîáíîìó âèäó: Ñ ïîìîùüþ ðàíåå ââåäåííîé âåëè÷èíû qn =

µx =

s(n) − s(n + 1) qn = , s(n) + (x − n)(s(n + 1) − s(n)) 1 − (x − n)qn

n < x < n + 1. Âèäèì, ÷òî òàêîå ïðèáëèæåíèå âëå÷åò âîçðàñòàíèå èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè µx =

qn 1 − (x − n)qn

(4.1.3)

ìåæäó óçëàìè èíòåðïîëÿöèè ( n < x < n+1), à ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ f (x) = const íå ìåíÿåòñÿ, ïðè÷åì â öåëî÷èñëåííûõ òî÷êàõ f (x) è µx íå îïðåäåëåíû. Çàìåòèì, ÷òî qn > s(n) − s(n + 1), òàê êàê s(n) < 1.

Ïîñòîÿííàÿ èíòåíñèâíîñòü ñìåðòíîñòè Ïðèáëèçèì ôóíêöèþ s(x) íà îòðåçêå n ≤ x ≤ n + 1 óáûâàþùåé ïîêàçàòåëüíîé ôóíêöèåé an e−bn x . Ïðè ýòîì óðàâíåíèÿ ïðèíèìàþò âèä

an e−bn n = s(n) an e−bn (n+1) = s(n + 1), è, ðàçäåëèâ âòîðîå èç íèõ íà ïåðâîå, ïîëó÷àåì

−bn = ln

s(n + 1) , s(n)

an = s(n)ebn n = s(n) 39

s(n + 1) s(n)

−n

,

ò.å.

an = s(n)p−n n ,

bn = − ln pn ,

ãäå pn åñòü âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî ÷åëîâåê â âîçðàñòå n ëåò ïðîæèâåò ïî êðàéíåé ìåðå åùå îäèí ãîä. Â ýòîì ñëó÷àå (ln pn )x s(x) = an e−bn x = s(n)p−n = s(n)px−n , n ≤ x ≤ n + 1, n e n

è îñíîâíûå âåðîÿòíîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè ïðèáëèæåííî âûðàæàþòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì:

s(x) = s(n)px−n , n

n ≤ x ≤ n + 1,

f (x) = −s0 (x) = −s(n)px−n ln pn , n

µx =

f (x) = − ln pn , s(x)

n < x < n + 1, ò.å. ìåæäó óçëàìè èíòåðïîëÿöèè µx = const. Çàìåòèì, ÷òî − ln pn > −s(n) ln pn , òàê êàê s(n) < 1.

Ïðåäïîëîæåíèå Áàëäó÷÷è Â ýòîì ñëó÷àå ëèíåéíîé ôóíêöèåé âìåñòî s(x) èíòåðïîëèðóåòñÿ 1 , íåìåäëåííî ïðèõîs (x). Ôîðìàëüíî çàìåíÿÿ â (4.1.1) s(x) íà s(x) äèì ê ñîîòíîøåíèþ −1

1 n+1−x x−n = + , s(x) s(n) s(n + 1)

n ≤ x ≤ n + 1,

îòêóäà

s(x) =

s(n)s(n + 1) s(n + 1) = = (n + 1 − x)s(n + 1) + (x − n)s(n) (n + 1 − x)pn + x − n =

s(n + 1) , pn + (x − n)qn

f (x) = −s0 (x) = =

n ≤ x ≤ n + 1,

s(n)s(n + 1)(s(n) − s(n + 1)) = (s(n + 1)(n + 1 − x) + (x − n)s(n))2

s(n + 1)qn , (pn + (x − n)qn )2

40

n < x < n + 1,

µx =

f (x) qn = , s(x) pn + (x − n)qn

n < x < n + 1.

Ïðèìåð 4.1.1. Ïîäñ÷èòàéòå âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî ìóæ÷èíà ÑÑÑÐ (80) ñåðåäèíû 80-õ ãîäîâ ïðè ïðåäïîëîæåíèè î ðàâíîìåðíîì ðàñïðåäå1 1 ëåíèè ñìåðòåé óìðåò â âîçðàñòå îò 80 äî 81 ëåò. 2 2 Ð å ø å í è å. Âîñïîëüçóåìñÿ ôîðìóëîé s(x) = (n + 1 − x)s(n) + (x − n)s(n + 1), n ≤ x ≤ n + 1, ñîãëàñíî êîòîðîé 1 1 1 s 80 = 81 − 80 s(80) + 80 − 80 s(81) = 0, 5(s(80) + s(81)), 2 2 2 1 s 81 = 0, 5(s(81) + s(82)). 2 Òàêèì îáðàçîì,

P

1 1 < T(80) < 1 2 2

s 80 21 − s 81 12 = = s(80)

s(80) + s(81) − s(81) − s(82) = s(80) ! ˙ s(82) s(82) s(81) = 0, 5 1 − = 0, 5 1 − = s(80) s(81) s(80) = 0, 5

= 0, 5(1 − p81 p80 ) = 0, 5(1 − (1 − q81 )(1 − q80 )) = = 0, 5(1 − (1 − 0, 12548)(1 − 0, 11672)) = ˙ 88328) = 0, 11378. = 0, 5(1 − 0, 874520,

4.2

Ðàñïðåäåëåíèå äðîáíîãî âîçðàñòà

Ââåäåì ñëó÷àéíóþ âåëè÷èíó τ = {X}, ãäå {X} îáîçíà÷àåò äðîáíóþ ÷àñòü âåëè÷èíû X . Òåïåðü ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè X ìîæíî ïðåäñòàâèòü ñóììîé öåëîé è äðîáíîé ÷àñòåé: X = K(0)+τ , ãäå K(0) = [X] îêðóãëåííîå âðåìÿ æèçíè. Ïîíÿòíî, ÷òî âåëè÷èíà τ îïèñûâàåò ìîìåíò ñìåðòè âíóòðè ãîäà. Íàéäåì óñëîâíîå ðàñïðåäåëåíèå τ ïðè óñëîâèè, ÷òî ñìåðòü íàñòóïèëà â âîçðàñòå n ëåò:

P{τ ≤ t|K(0) = n} = P{X − K(0) ≤ t|K(0) = n} = 41

= P{X ≤ t + n|n ≤ X < n + 1} = =

P{X ≤ t + n, n ≤ X < n + 1} = P{n ≤ X < n + 1}

s(n) − s(n + t) P{n ≤ X ≤ n + t} = , P{n ≤ X < n + 1} s(n) − s(n + 1)

0 < t < 1.

(4.2.1)

Âåëè÷èíà s(n + t), òî÷íåå ln+t , êîãäà n öåëîå, à 0 < t < 1, â ÒÏÆ îòñóòñòâóåò, ïîýòîìó ïðè åå íàõîæäåíèè âîñïîëüçóåìñÿ ïðèáëèæåíèÿìè äëÿ äðîáíûõ âîçðàñòîâ. Ïðè ïîñòóëàòå ðàâíîìåðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ñìåðòåé ôîðìóëà (4.2.1), åñëè âçÿòü â s(x) àðãóìåíò x = n + t, ïðåîáðàçóåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: P{τ ≤ t|K(0) = n} =

=

s(n) − [(n + 1 − n − t)s(n) + (n + t − n)s(n + 1)] = s(n) − s(n + 1) =

t(s(n) − s(n + 1)) = t, s(n) − s(n + 1) µt|· =

0 < t < 1.

f (t|·) 1 = 1 − F (t|·) 1−t

Èòàê, ïðè ýòîé èíòåðïîëÿöèè 1) ñìåðòü â ëþáîé äåíü ìåæäó äâóìÿ äíÿìè ðîæäåíèé ÷åëîâåêà ðàâíîâåðîÿòíà; 2) óñëîâíîå ðàñïðåäåëåíèå P{τ ≤ t|K(0) = n} íå çàâèñèò îò n è ïîýòîìó ñîâïàäàåò ñ áåçóñëîâíûì ðàñïðåäåëåíèåì P(τ ≤ t); 3) ñëó÷àéíûå âåëè÷èíû K(0) è τ íåçàâèñèìû. Äëÿ ïîñòóëàòà ïîñòîÿííîé èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè àíàëîãè÷íî èìååì: s(n) − s(n + t) P{τ ≤ t|K(0) = n} = = s(n) − s(n + 1)

=

s(n) − s(n)pn+t−n s(n)(1 − ptn ) 1 − ptn n = = , s(n) − s(n + 1) s(n) − s(n + 1) 1 − pn f (t|·) = F 0 (t|·) =

s(t|·) = 1 − F (t|·) = 1 − µt|· =

0 < t < 1.

−ptn lnpn , 1 − pn

1 − ptn 1 − pn − 1 + ptn pn (pt−1 − 1) n = = , 1 − pn 1 − pn 1 − pn

f (t|·) −ptn lnpn −pt−1 n lnpn = = t−1 . t−1 s(t|·) pn (pn − 1) pn − 1 42

Ðàññóæäàÿ àíàëîãè÷íî, òàêæå ìîæíî ïîëó÷èòü ôîðìóëû äëÿ f (t|·), s(t|·), µ( t|·) è ïðè ïîñòóëàòå Áàëäó÷÷è. Çàìå÷àíèå . Âîîáùå ãîâîðÿ, ôîðìóëû ïðè ïîñòîÿííîé èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè óäîáíåå âûðàçèòü ÷åðåç qn = 1 − pn , òàê êàê âåëè÷èíà qn èìååòñÿ â ÒÏÆ.

4.3

Ñðåäíåå è äèñïåðñèÿ äðîáíîãî âîçðàñòà

Íàéäåì ñðåäíåå äðîáíîãî âîçðàñòà τ ïðè óñëîâèè, ÷òî ñìåðòü íàñòóïèëà â âîçðàñòå n ëåò: Z 1 a(n) = E{τ |K(0) = n} = P{τ > t|K(0) = n}dt. 0

Î÷åâèäíî, ÷òî

P{τ > t|K(0) = n} = 1 − P{τ ≤ t|K(0) = n} = =1−

s(n) − s(n + t) s(n) − s(n + 1) − sn) + s(n + t) = = s(n) − s(n + 1) s(n) − s(n + 1) =

s(n + t) − s(n + 1) . s(n) − s(n + 1)

Îòñþäà

a(n) =

1 s(n) − s(n + 1)

Z

1

[s(n + t) − s(n + 1)]dt.

0

Ïîäñ÷èòàåì òåïåðü âåëè÷èíó a(n) äëÿ âñåõ òðåõ ïðåäïîëîæåíèé î õàðàêòåðå ñìåðòíîñòè äëÿ äðîáíûõ âîçðàñòîâ. Ðàâíîìåðíîå ðàñïðåäåëåíèå ñìåðòåé. ßñíî, ÷òî R1 [(n + 1 − n − t)s(n) + (n + t − n)s(n + 1) − s(n + 1)]dt a(n) = 0 = s(n) − s(n + 1) R1 R1 [(1 − t)s(n) + ts(n + 1) − s(n + 1)]dt = 0 (1 − t)dt 1 = 0 = , s(n) − s(n + 1) 2 ò.å. a(n) ñîâïàäàåò ñ ñåðåäèíîé îäíîãîäè÷íîãî âðåìåííîãî ïðîìåæóòêà, ÷òî èíòóèòèâíî ìû è îæèäàëè ïîëó÷èòü. Ïîñòîÿííàÿ èíòåíñèâíîñòü ñìåðòíîñòè. Â ýòîì ñëó÷àå Z 1 1 a(n) = [s(n)pn+t−n − s(n + 1)]dt = n s(n) − s(n + 1) 0 43

" # 1 Z 1 t s(n) 1 ptn = pn − pn dt = − pn = s(n) − s(n + 1) 0 qn lnpn 0 1 qn 1 pn 1 pn − 1 = − pn = −pn − =− − . qn lnpn qn lnpn lnpn qn Ïîñêîëüêó pn = 1 − qn , à âåëè÷èíà qn äîñòàòî÷íî ìàëà, òî, âîñïîëüçîâàâøèñü ïðåäñòàâëåíèåì ln(1 − x) = −x −

x2 x3 xn − − ··· − − + o(xn ), 2 3 n

ðàçëîæèì ln pn â ðÿä ïî ñòåïåíÿì qn lnpn = −qn −

qn2 q3 − n − ..., 2 3

ïîñëå ÷åãî ïðèõîäèì ê ñëåäóþùèì îöåíêàì äëÿ a(n):

a(n) =

1 qn 1 qn − + O(qn2 ) = − + o(qn ). 2 12 2 12

(4.3.1)

Äîêàæåì ðàâåíñòâî (4.3.1). Òàê êàê

−

pn 1 1 − qn − =− + qn lnpn qn qn +

qn +

2 qn 2

+

+ q2

1

=1+

1 2 qn 2

3 qn 3

+ ...

−

3 qn 3

= + ... q3

n n 1 2 + 3 + ... =1− , 3 q q4 qn qn2 + 2n + 3n + ...

òî, ðàçëîæèâ ôóíêöèþ äâóõ ïåðåìåííûõ â ðÿä Òåéëîðà â 2 (îòíîøåíèå) qn 2 îêðåñòíîñòè òî÷êè , q , ïîëó÷àåì 2 n

" qn2 3 # pn 1 1 1 qn3 q n − − =1− + + ... − 24 + ... = qn lnpn 2 qn2 3 qn 2 1 qn qn 1 qn − + + o(qn ) = − + o(qn ), 2 3 4 2 12 ÷òî è òðåáîâàëîñü äîêàçàòü. =

44

Åñëè qn íå ñëèøêîì ìàëî, òî èìååò ñìûñë ó÷èòûâàòü è ñëàãàåìûå ïîðÿäêà O(qn2 ) : 3 1 qn3 qn4 1 qn qn4 a(n) = 1 − 2 + + ... + 2 + + ... = qn 3 4 2qn 2 3

1 qn qn q2 q2 1 qn q2 − + − n + n + ... = − − n + o(qn2 ). 2 3 4 4 6 2 12 12 Ïîñòóëàò Áàëäó÷÷è. Çäåñü Z 1 1 s(n + 1) a(n) = − s(n + 1) dt = s(n) − s(n + 1) 0 pn + tqn Z 1 Z s(n + 1) 1 pn 1 1 = − 1 dt = − 1 dt = s(n) − s(n + 1) 0 pn + tqn qn 0 pn + tqn " # 1 pn ln(pn + tqn ) pn lnpn = − 1 = qn − qn − 1 = qn qn 0 p−n qn − 1 qn2 qn3 − 2 (qn + lnp − n) = q − q − − − ... = n n qn qn2 2 3 1 qn qn2 1 qn q − n qn2 q2 = (qn − 1) − − − − ... = − + − + n + o(qn ) = 2 3 4 2 2 3 3 4 =

1 qn q2 − − n + o(qn ). 2 6 12 Äèñïåðñèþ áóäåì íàõîäèòü ïî ñëåäóþùåé ôîðìóëå: =

b(n) = D{τ |K(0) = n} = Z 1 2 = [s(n + t) − s(n + 1)]dt − a2 (n). s(n) − s(n + 1) 0 Ïîäñ÷èòàåì âåëè÷èíó b(n) äëÿ âñåõ òðåõ ïîñòóëàòîâ ñìåðòíîñòè äðîáíûõ âîçðàñòîâ. Ðàâíîìåðíîå ðàñïðåäåëåíèå ñìåðòåé. Äëÿ ýòîãî ïîñòóëàòà Z 1 2 1 b(n) = t(1 − t)[s(n) − s(n + 1)]dt − = s(n) − s(n + 1) 0 4 Z 1 1 1 1 1 2 1 1 =2 (t − t2 )dt − = 2 − − =1− − = . 4 2 3 4 3 4 12 0 45

Ïîñòîÿííàÿ Z èíòåíñèâíîñòü ñìåðòíîñòè. Ðàíåå ìû ïîëó÷èëè,

÷òî a(n) =

1

1 qn

[ptn − pn ]dt, ïîýòîìó

0

b(n) =

2 qn

1

Z

t(ptn − pn )dt − a2 (n) =

0

2 1 qn − tpn dt − − + o(qn ) = 2 12 0 0 2 pn pn − 1 p n 1 qn = − 2 − − − + o(qn ) = qn lnpn 2 4 12 ln pn qn 1 − qn 1 − qn =2 + − − [...] = qn lnpn 2qn qn ln2 pn 1 1 1 1 1 =2 − + 2 − + − [...] = qn lnpn lnpn 2qn 2 ln pn 2lnpn − 2qn lnpn + 2qn − ln2 pn 1 − [...] = =2 + 2 2qn ln2 pn −2qn − qn2 − 32 qn3 − 12 qn4 − ... + 2qn2 + qn3 + 23 qn4 + ... + =2 2qn3 + 2qn4 + ... 4 2qn − qn2 − qn3 − 11 1 12 qn − ... +2 + − [...] = 2qn3 + 2qn4 + ... 2 2 3 3 4 − 3 qn − 4 qn − ... 1 =2 + − [...]. 2qn3 + 2qn4 + ... 2 2 = qn

Z

1

Z

tptn dt

1

Ïîñëå ðàçëîæåíèÿ îòíîøåíèÿ â ðÿä Òåéëîðà â îêðåñòíîñòè òî÷êè èìååì 2 3 q 1 1 1 3 b(n) = 2 − − 3 · qn4 + 3 6n 2qn4 − ... − [...] = 2 3 2qn 4 4qn 1 3 1 1 qn 1 =2 − qn + qn − ... − − + ... = + o(qn ). 6 8 3 4 12 12

Ïîñòóëàò Áàëäó÷÷è. Çäåñü b(n) =

2pn qn

Z 0

1

t

1 − 1 dt − a2 (n) = pn + tqn 46

2 3 3 − qn , 2qn , 3

Z 1 Z 1 2pn t = dt − tdt − a2 (n) = qn p + tq n n 0 0 Z 1 2pn pn + tqn − pn 1 2pn = 2 dt − · − a2 (n) = qn p + tq 2 q n n n 0 Z 1 2pn dt pn = 2 1 − pn − − a2 (n) = qn p + tq q n n n 0 " 1 # pn pn 2pn = 2 1− ln(pn + tqn ) − − a2 (n) = qn qn qn 0 2pn pn lnpn pn = 2 1 + pn − − a2 (n) = qn qn qn = =

2(1 − qn ) 2(1 − qn )2 lnpn 1 − qn + − − a2 (n) = 2 3 qn qn qn

2 2 2(1 − 2q + qn2 )lnpn 1 − + − + 1 − a2 (n) = qn2 qn qn3 qn

2 2 2lnpn 4lnpn 2lnpn 1 − + − + − + 1 − a2 (n) = 2 3 2 qn qn qn qn qn qn 2 2 2 2 qn2 qn3 qn4 = 3 qn − + 3 −qn − − − − ... + qn qn qn 2 3 4 4 q2 q3 2 q2 1 + 2 qn + n + n + ... + −qn − n − ... − + 1 − a2 (n) = qn 2 3 qn 2 qn =

=

2 2 2 1 2 1 4 4 − − 2 − − − qn − ... + + 2 + qn + ...− qn2 qn qn qn 3 2 qn 3 −2 − qn − ... −

1 qn 1 +1− + + ... = qn 4 6

1 2 qn 4 qn 1 − − + qn − qn + + ... = + o(qn ). 4 3 2 3 6 12 Îáñóäèì ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû. Äëÿ æåíùèí ÑÑÑÐ âîçðàñòà 30 ëåò q30 = 0, 00106. Ïîýòîìó ïîðÿäîê îøèáêè äëÿ ñðåäíèõ è äèñïåðñèé ïîñòóëàòîâ ïîñòîÿííîé èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè è Áàëäó÷÷è 2 ñîñòàâëÿåò O(q30 ) ≈ 10−6 . Äëÿ áîëüøèõ âîçðàñòîâ ôîðìóëû äëÿ a(n) è b(n) ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü ñ ó÷åòîì ñëàãàåìûõ qn2 , òàê êàê, íàïðèìåð, äëÿ æåíùèí ÑÑÑÐ âîçðàñòà 82 ëåò q82 = 0, 10155, è â ýòîì ñëó÷àå 2 O(q82 ) ≈ 10−2 . =1−

47

Òàêæå íà ïðàêòèêå â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ñîãëàñíî ïîëó÷åííûì âûøå ðåçóëüòàòàì, ïðåäïîëîæèâ íåçàâèñèìîñòü K(0) è τ, ìîæíî èñïîëüçîâàòü ñëåäóþùèå ïðîñòûå àïïðîêñèìàöèè äëÿ ñðåäíåãî è äèñïåðñèè îñòàòî÷íîãî âðåìåíè æèçíè: 1 ◦ ex ≈ ex + , 2 1 DT (x) ≈ DK(0) + . 12

4.4

Òàáëè÷íûå âåëè÷èíû Lx , Tx , èõ ñâÿçü ìåæäó ñîáîé è ñ a(x)

Âåëè÷èíû Lx è Tx èñïîëüçóþò â áîëåå ïîäðîáíûõ ÒÏÆ. Â êà÷åñòâå îáðàçöà â Ïðèëîæåíèè 3 ïðèâåäåí ôðàãìåíò ÒÏÆ äëÿ íàñåëåíèÿ ÑØÀ (197981) [1, c.5558]. Áóäåì îáîçíà÷àòü ñèìâîëîì Lx ñðåäíåå ñóììàðíîå ÷èñëî ëåò, ïðîæèòîå ìåæäó ìîìåíòàìè x è x + 1, x öåëîå, âñåìè ïðåäñòàâèòåëÿìè èñõîäíîé ãðóïïû l0 . Ïîíÿòíî, ÷òî îíî ñêëàäûâàåòñÿ èç äâóõ ñëàãàåìûõ: 1) ñðåäíåå ñóììàðíîå ÷èñëî ëåò, ïðîæèòîå ìåæäó ìîìåíòàìè x è x+1 òåìè ïðåäñòàâèòåëÿìè èñõîäíîé ãðóïïû, êîòîðûå óìåðëè â âîçðàñòå îò x äî x + 1 (ýòà âåëè÷èíà ðàâíà dx a(x)); 2) ñðåäíåå ñóììàðíîå ÷èñëî ëåò, äàâàåìîå æèâûìè ïðåäñòàâèòåëÿìè èñõîäíîé ãðóïïû ê ìîìåíòó x+1 (ýòà âåëè÷èíà ðàâíà lx+1 ·1ãîä = lx+1 ). Èòàê,

Lx = dx a(x) + lx+1

dx = s(x) − s(x + 1)

Z

1

[s(x + t) − s(x + 1)]dt + lx+1 =

0

Z 1 dx = [lx+t − lx + 1]dt + lx+1 = lx − lx+1 0 Z 1 Z 1 = [lx+t − lx + 1]dt + lx+1 = lx+t dt. 0

(4.4.1)

0

Ïîñêîëüêó â ÒÏÆ îáû÷íî òàáóëèðóþò âåëè÷èíû lx è Lx , òî ñ èõ ïîìîùüþ ìîæíî ïîäñ÷èòàòü a(x). Äåéñòâèòåëüíî, èç (4.4.1) ñëåäóåò, ÷òî Lx − lx+1 = dx a(x), îòêóäà

a(x) =

Lx − lx+1 Lx − lx+1 = . lx − lx+1 dx

48

(4.4.2)

Ïðèìåð 4.4.1. Ïî äàííûì îáùåé ÒÏÆ (Ïðèëîæåíèå 3) íàéäèòå a(20), a(80), a(106), a(107), a(108). Ð å ø å í è å. Ñîãëàñíî ôîðìóëå (4.4.2) èìååì a(20) =

L20 − l21 97682 − 97623 59 = = = 0, 5; d2 0 118 118

L80 − l81 41694 − 40208 1486 = = = 0, 5; d8 0 2972 2972 99 − 78 983 − 815 a(100) = = 0, 501; a(106) = = 0, 512; 335 41 42 − 33 99 − 78 a(107) = = 0, 512; a(108) = = 0, 5. 41 18 Òàê êàê a(i) ∼ 0, 5, òî èç ýòîãî ïðèìåðà âèäíî, ÷òî, ïî-âèäèìîìó, èìååò ìåñòî ðàâíîìåðíàÿ ñìåðòíîñòü ìåæäó äâóìÿ äíÿìè ðîæäåíèÿ äëÿ èíäèâèäóóìîâ ëþáûõ âîçðàñòîâ. Áóäåì îáîçíà÷àòü ñèìâîëîì Tx ñðåäíåå ñóììàðíîå ÷èñëî ëåò, ïðîæèòûõ âñåìè ïðåäñòàâèòåëÿìè ãðóïïû èç l0 íîâîðîæäåííûõ íà èíòåðâàëå (x, ∞). Ïîíÿòíî, ÷òî Z ∞ Tx = l0 E[(X − x)I(x − x > 0)] = l0 (X − x)dP{X − x ≤ t} = a(80) =

0

= l0

Z

∞

P{X − x > t}dt = l0

Z

0

∞

P{X > x + t}dt =

0

= l0

Z

∞

s(x + t)dt = l0

0

Z

∞

s(u)du.

x

◦

Òåïåðü ôîðìóëå ex = ET (x) ìîæíî ïðèäàòü ñëåäóþùèé âèä: Z ∞ Z ∞ 1 1 Tx ◦ ex = ET (x) = s(u)du = l0 s(u)du = . (4.4.3) s(x) 0 l0 s(x) lx 0

Ïðèìåð 4.4.2. Ïî äàííûì îáùåé ÒÏÆ (Ïðèëîæåíèå 3) íàéäèòå ◦ ◦ e20 , e80 . Ð å ø å í è å. Ñîãëàñíî ôîðìóëå (4.4.3) èìååì ◦

e20 =

T20 5420937 = = 55, 462; l2 0 97741

49

◦

e80 =

T80 344612 = = 7, 98. l8 0 43180

Òàêæå ñ ïîìîùüþ âåëè÷èí Ln , n ≥ x, ìîæíî ïîäñ÷èòàòü âåëè÷èíó Tx : Z ∞ ∞ Z x+k+1 X Tx = l0 s(u)du = l0 s(u)du = x

= l0

∞ Z X

k=0

k=0

1

s(x + k + t)dt =

0

∞ Z X

k=0

x+k

1

lx+k+t dt =

0

∞ X

Lx+k =

k=0

∞ X

Ln .

n=x

Òàêèì îáðàçîì,

Tx =

∞ X

(4.4.4)

Ln .

n=x

Ïðèìåð 4.4.3. Ïî äàííûì îáùåé ÒÏÆ (Ïðèëîæåíèå 3) ñ ïîìîùüþ ôîðìóëû (4.4.4) ïîäñ÷èòàéòå T100 è T105 . Ð å ø å í è å. Óäîáíåå ñíà÷àëà íàéòè T105 : T105 = L105 + L106 + L107 + L108 + L109 +

∞ X

Ln = L105 + L106 + L107 +

n=110

+L108 + L109 + (T109 − L109 ) = 150 + 99 + 64 + 42 + 27 + (73 − 27) = 428. Äàëåå,

T100 = T105 + L104 + L103 + L102 + L101 + L100 = = 428 + 223 + 330 + 481 + 692 + 983 = 3137. Ìîæíî ïðèìåíÿòü äëÿ èíòåðïîëÿöèè, âîîáùå ãîâîðÿ, è ïàðàáîëè÷åñêèå, è êóáè÷åñêèå ñïëàéíû, íî, ïî-âèäèìîìó, óëó÷øåíèå òî÷íîñòè ðåçóëüòàòîâ íå îïðàâäûâàåòñÿ óñëîæíåíèåì âû÷èñëèòåëüíûõ ôîðìóë.

4.5


Èñïîëüçóÿ ÒÏÆ èç Ïðèëîæåíèÿ 1 ïîäñ÷èòàéòå âåðîÿòíîñòè (â ïðî5 11 öåíòàõ), ÷òî ìóæ÷èíà (77) óìðåò â âîçðàñòå îò 77 äî 78 (èíòåðâàë 12 12 1,5 ãîäà): 1) â ïðåäïîëîæåíèè î ðàâíîìåðíîì ðàñïðåäåëåíèè ñìåðòåé, 2) â ïðåäïîëîæåíèè Áàëäó÷÷è äëÿ äðîáíûõ âîçðàñòîâ, 3) â ïðåäïîëîæåíèè î ïîñòîÿííîé èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè.

50

Ïðîâåäèòå ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ.


Âûâåñòè ôîðìóëû äëÿ f (t|·), s(t|·), µt|· â ïðåäïîëîæåíèè Áàëäó÷÷è äëÿ äðîáíûõ âîçðàñòîâ.


Ïîñòðîéòå ãðàôèêè êðèâûõ ñìåðòåé â ïðîìåæóòêå (77,79) â ïðåäïîëîæåíèÿõ Çàäàíèÿ 4.5.1.


Ïîñòðîéòå ãðàôèêè êðèâûõ ôóíêöèé èíòåíñèâíîñòè ñìåðòíîñòè â ïðîìåæóòêå (77,79) â ïðåäïîëîæåíèÿõ Çàäàíèÿ 4.5.1.

51

5

ÊÎËËÅÊÒÈÂÍÎÅ ÑÒÐÀÕÎÂÀÍÈÅ

5.1

Ñòðàõîâàíèå æèçíè íåñêîëüêèõ ëèö. Ñòàòóñ ñîâìåñòíîé æèçíè (joint-life status)

Ðåçóëüòàòû, ïðåäñòàâëåííûå â ãëàâàõ 14, ìîãóò áûòü îáîáùåíû íà ìíîãîìåðíûé ñëó÷àé. Òàêèå îáîáùåíèÿ íåîáõîäèìû ïðè ðàñ÷åòàõ, ñâÿçàííûõ ñ ïåíñèîííûì ñòðàõîâàíèåì, ñ êîëëåêòèâíûì ñòðàõîâàíèåì æèçíè, çäîðîâüÿ è äð. Òåîðèÿ èçëàãàåòñÿ â ãëàâå 8 ôóíäàìåíòàëüíîé ìîíîãðàôèè [1, ñ.231258, ñ.483-510] è [4, ãë. 8]. Êðàòêî èçëîæèì îñîáåííîñòè ñòðàõîâàíèÿ æèçíè íåñêîëüêèõ ëèö. Ðàññìîòðèì ñëó÷àé êîëëåêòèâíîãî ñòðàõîâàíèÿ æèçíè, äëÿ êîòîðîãî ïîëåçíîé àáñòðàêöèåé ÿâëÿåòñÿ ïîíÿòèå ñòàòóñà. Ïóñòü m èíäèâèäóóìîâ ñ âîçðàñòàìè (x1 , x2 , . . . , xm ) æåëàþò çàêëþ÷èòü ñòðàõîâîé äîãîâîð. Ïðåäñòîÿùåå âðåìÿ æèçíè k -ãî èíäèâèäóóìà îáîçíà÷èì ÷åðåç T (xk ) = X − xk . Ñîâîêóïíîñòè m ÷èñåë T (x1 ), T (x2 ), . . . , T (xm ) ïîñòàâèì â ñîîòâåòñòâèå ñòàòóñ (status) U , êîòîðîìó ñîîòâåòñòâóåò ñâîÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè T (U ). Äâóìÿ ñàìûìè ðàñïðîñòðàíåííûìè ñòàòóñàìè ÿâëÿþòñÿ ñòàòóñ ñîâìåñòíîé æèçíè è ñòàòóñ âûæèâàíèÿ ïîñëåäíåãî [1]. Ñòàòóñ ñîâìåñòíîé æèçíè îáîçíà÷àåòñÿ U := x1 : x2 : . . . : xm èëè (x1 : x2 : . . . : xm ) è ñ÷èòàåòñÿ ðàçðóøåííûì, åñëè íàñòóïèëà ñìåðòü õîòÿ áû îäíîãî èç èíäèâèäóóìîâ, ò.å.

T (U ) = min{T (x1 ), T (x2 ), . . . , T (xm )}. Ïîíÿòíî, ÷òî

P{T (U ) > t} = P{min(T (x1 ), T (x2 ), . . . , T (xm )) > t} = = P{T (x1 ) > t, T (x2 ) > t, . . . , T (xm ) > t}, è â ïðåäïîëîæåíèè íåçàâèñèìîñòè ñìåðòåé

P{T (U ) > t} =

m Y

(5.1.1)

t pxi .

i=1

Ñìûñë âåðîÿòíîñòåé t pxi = P{T (xi ) > t} îïðåäåëÿåòñÿ â ï.3.2. Òåïåðü ëåãêî âûâåñòè äðóãèå âåðîÿòíîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè äëÿ T (U ), íàïðèìåð, t qx1 :x2 :...:xm = 1 − t px1 :x2 :...:xm = 1 −

m Y

i=1

52

(1 − t qxi ).

Äëÿ ïëîòíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ âðåìåíè ðàçðóøåíèÿ ðàññìàòðèâàåìîãî ñòàòóñà ñïðàâåäëèâû ñëåäóþùèå ñîîòíîøåíèÿ:

fx1 :x2 :...:xm (t) = − =−

d P{T (U ) > t} = dt

m m d Y d Y s(xi + t) . t pxi = − d t i=1 d t i=1 s(xi )

(5.1.2)

Ïðèìåð 5.1.1. Â ïðåäïîëîæåíèè íåçàâèñèìîñòè ñìåðòåé íàéòè ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ ñòàòóñà ñîâìåñòíîé æèçíè äâóõ èíäèâèäóóìîâ U := x1 : x2 1) â îáùåì ñëó÷àå; 2) äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà. Ð å ø å í è å. Òàê êàê m = 2, à T (U ) = min(T (x1 ), T (x2 )), òî äëÿ ïëîòíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ ñòàòóñà â ñîîòâåòñòâèè ñ (5.1.2) èìååì: d {−P{min(T (x1 ), T (x2 )) > t}} = dt 0 s(x1 + t) s(x2 + t) = − s(x1 ) s(x2 ) t

fx1 :x2 (t) =

==

f (x1 + t) s(x2 + t) f (x2 + t) s(x1 + t) + = s(x1 ) s(x2 ) s(x2 ) s(x1 )

= fx1 (t) sx2 (t) + fx2 (t) sx1 (t) < fx1 (t) + fx2 (t), s(x + t) ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû T (x). s(x) Êàê áóäåò ïîêàçàíî ïîçäíåå, äîêàçàííîå íåðàâåíñòâî ïîçâîëÿåò ñíèæàòü ñòðàõîâîé êîìïàíèè ðàçìåð ïðåìèè ó÷àñòíèêó êîëëåêòèâíîãî ñòðàõîâàíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñî ñëó÷àåì èíäèâèäóàëüíîãî ñòðàõîâàíèÿ. Äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà fx (t) çàäàåòñÿ ôîðìóëîé (3.1.2), ôóíêöèÿ t It (0, ω − x) âûæèâàíèÿ sx (t) = It (−∞, ω − x) − , ïîýòîìó ω−x It (0, ω − x1 ) t It (0, ω − x2 ) fx1 :x2 (t) = It (−∞, ω − x2 ) − + ω − x1 ω − x2 It (0, ω − x2 ) t It (0, ω − x1 ) + It (−∞, ω − x1 ) − = ω − x2 ω − x1

ãäå sx (t) =

53

ω − x2 − t ω − x1 − t + It (0, min(ω − x1 , ω − x2 )). (ω − x1 )(ω − x2 ) (ω − x1 )(ω − x2 ) (5.1.3) Ïåðåéäåì òåïåðü ê ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè ðàçðóøåíèÿ ñîñòîÿíèÿ ñîâìåñòíîé æèçíè. Ôóíêöèÿ èíòåíñèâíîñòè îñòàòî÷íîãî âðåìåíè æèçíè T (x) = X − x óäîâëåòâîðÿåò ðàâåíñòâàì =

µx (t) = =−

f (x + t) d fx (t) = = µx+t = − ln s(x + t) = sx (t) s(x + t) dt

d d s(x + t) d [ln s(x + t) − ln s(x)] = − ln = − ln t px , dt dt s(x) dt

ò.å.

µx (t) = µx+t = −

d ln t px . dt

(5.1.4)

Ïðèíèìàÿ âî âíèìàíèå (5.1.4), ïîëó÷àåì m

µx1 :x2 :...:xm (t) = −

m

X d d X ln t px1 :x2 :...:xm = − ln t pxi = µxi (t) dt d t i=1 i=1

è, ñëåäîâàòåëüíî,

µx1 :x2 :...:xm (t) =

m X

µxi (t).

(5.1.5)

i=1

5.2

Óïðîùåíèÿ äëÿ ìîäåëåé Ãîìïåðòöà è Ìýéêõàìà

Åñëè ñìåðòíîñòü âñåõ ëþäåé ðàññìàòðèâàåìîé ãðóïïû ðàñïðåäåëåíà ïî îäíîìó è òîìó æå çàêîíó Ãîìïåðòöà (ñì. ï.2.6), òî

µxi (t) = µxi +t = B eα(xi +t) = B rxi +t ,

(5.2.1)

ãäå r = eα , t ≥ 0, i = 1, . . . , m. Ðàâåíñòâî (5.1.5) ñ ó÷åòîì (5.2.1) ïîçâîëÿåò ñîñòàâèòü óðàâíåíèå

rx1 + rx2 + · · · + rxm = rω , ðåøèâ êîòîðîå îòíîñèòåëüíî ω, ïîëó÷àåì

ω=

1 ln {rx1 + rx2 + · · · + rxm } = α 54

1 ln {eαx1 + eαx2 + · · · + eαxm } . (5.2.2) α Òàêèì îáðàçîì, ôóíêöèþ èíòåíñèâíîñòè ðàçðóøåíèÿ ñîñòîÿíèÿ ñîâìåñòíîé æèçíè ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå =

µx1 :x2 :...:xm (t) = µω (t),

t ≥ 0,

îòêóäà âèäíî, ÷òî èíòåíñèâíîñòü ðàçðóøåíèÿ ñîñòîÿíèÿ ñîâìåñòíîé æèçíè òàêæå ïîä÷èíÿåòñÿ çàêîíó Ãîìïåðòöà íåêîòîðîãî óñëîâíîãî èíäèâèäóóìà ñ íà÷àëüíûì âîçðàñòîì ω, âû÷èñëÿåìûì ïî ôîðìóëå (5.2.2) è, åñòåñòâåííî, âûðàæàåìûì ÷åðåç íà÷àëüíûå âîçðàñòû x1 , x2 , . . . , xm âñåõ ó÷àñòíèêîâ êîëëåêòèâíîãî ñòðàõîâàíèÿ. Ýòî ïîçâîëÿåò âñå ðàñ÷åòû, êàñàþùèåñÿ ñîñòîÿíèÿ ñîâìåñòíîé æèçíè, ïðîâîäèòü â òåðìèíàõ îäíîãî èíäèâèäóóìà ( ω ). Îïðåäåëåííûå óïðîùåíèÿ âîçíèêàþò òàêæå, êîãäà ñìåðòíîñòü âñåõ ðàññìàòðèâàåìûõ èíäèâèäóóìîâ ïîä÷èíÿåòñÿ îäíîìó è òîìó æå çàêîíó Ìýéêõàìà (ñì. ï.2.6):

µxi (t) = µxi +t = A + B eα(xi +t) = A + B rxi +t , t ≥ 0, i = 1, . . . , m, r = eα . Ñîñòàâèâ ðàâåíñòâî A + B rx1 +t + · · · + A + B rxm +t = m A + B rω+t

è ðàññóæäàÿ êàê è â ñëó÷àå çàêîíà Ãîìïåðòöà, ïðèõîäèì ê óðàâíåíèþ

rx1 + rx2 + · · · + rxm = m rω , ðåøåíèå êîòîðîãî èìååò âèä:

ω=

1 [ln{rx1 + rx2 + · · · + rxm } − ln m] = α

1 [ln{eαx1 + eαx2 + · · · + eαxm } − ln m] . α Òàêèì îáðàçîì, äëÿ çàêîíà Ãîìïåðòöà =

(5.2.3)

µx1 :x2 :...:xm (t) = m µω (t) = µω:ω:...:ω (t), è, ñëåäîâàòåëüíî, m ëèö âîçðàñòà x1 , x2 , . . . , xm ìîãóò áûòü çàìåíåíû m ëèöàìè îäèíàêîâîãî "íà÷àëüíîãî"âîçðàñòà ω, êîòîðûé âû÷èñëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå (5.2.3). 55

5.3

Ñòàòóñ âûæèâàíèÿ ïîñëåäíåãî (last-survivor status)

Ñòàòóñ âûæèâàíèÿ ïîñëåäíåãî îáîçíà÷àåòñÿ

U := x1 : x2 : . . . : xm èëè(x1 : x2 : . . . : xm ) è ñ÷èòàåòñÿ ðàçðóøåííûì, åñëè âñå ïðåäñòàâèòåëè êîëëåêòèâà óìåðëè, ò.å. T (U ) = max(T (x1 ), T (x2 ), . . . , T (xm )). Ñîñòîÿíèå ñîâìåñòíîé æèçíè ñîîòâåòñòâóåò ïîñëåäîâàòåëüíîìó ñîåäèíåíèþ ýëåêòðîëàìïî÷åê â öåïè, ñîñòîÿíèå âûæèâàíèÿ ïîñëåäíåãî èõ ïàðàëëåëüíîìó ñîåäèíåíèþ. Ïîíÿòíî, ÷òî t qx1 :...:xm

= P{T (U ) ≤ t} = P{max(T (x1 ), T (x2 ), . . . , T (xm )) ≤ t} = = P{T (x1 ) ≤ t, T (x2 ) ≤ t, . . . , T (xm ) ≤ t},

è â ïðåäïîëîæåíèè íåçàâèñèìîñòè ñìåðòåé t qx1 :x2 :...:xm =

m Y

t qxi ,

t px1 :x2 :...:xm = 1 −

i=1

m Y

(1 − t pxi ) .

i=1

Ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ âðåìåíè ðàçðóøåíèÿ ñòàòóñà âûæèâàíèÿ ïîñëåäíåãî ðàâíà

fx1 :x2 :...:xm (t) =

m d d Y P{T (U ) ≤ t} = (1 − t pxi ) . dt d t i=1

Ïðèìåð 5.3.1. Â ïðåäïîëîæåíèè íåçàâèñèìîñòè ñìåðòåé íàéòè ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ ñòàòóñà âûæèâàíèÿ ïîñëåäíåãî äâóõ èíäèâèäóóìîâ U := x1 : x2 1) â îáùåì ñëó÷àå; 2) äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà. Ð å ø å í è å. Òàê êàê m = 2, à T (U ) = max(T (x1 ), T (x2 )), òî äëÿ ïëîòíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ ñòàòóñà èìååì: d d {P(T (x1 ) ≤ t)P(T (x2 ) ≤ t)} = {Fx1 (t) Fx2 (t)} = dt dt f (x1 + t) F (x2 + t) d F (x1 + t) F (x2 + t) = = + dt s(x1 ) s(x2 ) s(x1 ) s(x2 )

fx1 :x2 (t) =

+

f (x2 + t) F (x1 + t) = fx1 (t) Fx2 (t) + fx2 (t) Fx1 (t) < fx1 (t) + fx2 (t). s(x2 ) s(x1 ) 56

Äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà

It (0, ω − x1 ) t It (0, ω − x2 ) fx1 :x2 (t) = + It (−∞, ω − x2 ) + ω − x1 ω − x2 It (0, ω − x2 ) t It (0, ω − x1 ) + + It (−∞, ω − x1 ) = ω − x2 ω − x1 = +

2t It (0, min(ω − x1 , ω − x2 )) + (ω − x1 )(ω − x2 )

It (min(ω − x1 , ω − x2 ), max(ω − x1 , ω − x2 )) . min(ω − x1 , ω − x2 )

(5.3.1)

Ïîíÿòíî, ÷òî m fx :...:xm (t) d Y = (1 − t pxi ) µx1 :...:xm (t) = 1 sx1 :...:xm (t) d t i=1

5.4

,

1−

m Y

!

(1 − t pxi ) .

i=1

Ïðèìåðû íà îáà ñòàòóñà

Ïðåæäå âñåãî ïðîèëëþñòðèðóåì âîçìîæíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ õàðàêòåðèñòèê ÒÏÆ ïðè âû÷èñëåíèè âåðîÿòíîñòåé, ñâÿçàííûõ ñ ðàññìîòðåííûìè ñòàòóñàìè. Ïðèìåð 5.4.1. Ïðåäïîëàãàÿ, ÷òî T (70) è T (75) íåçàâèñèìû, ïîëó÷èòü âûðàæåíèÿ âåðîÿòíîñòåé, ÷òî (i) ïåðâàÿ ñìåðòü ïðîèçîéäåò â ïðîìåæóòêå îò 5 äî 10 ëåò; (ii) ïîñëåäíÿÿ ñìåðòü ïðîèçîéäåò â òîì æå ïðîìåæóòêå. (iii) Ïîäñ÷èòàòü ýòè âåðîÿòíîñòè äëÿ ìóæ÷èí è æåíùèí ÑÑÑÐ, ñðàâíèòü ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè èíäèâèäóàëüíûìè âåðîÿòíîñòÿìè. Ð å ø å í è å. (i) Äëÿ èñêîìîé âåðîÿòíîñòè ñòàòóñà ñîâìåñòíîé æèçíè äâóõ ëèö (70 : 75) ñ ó÷åòîì (5.1.1) ñïðàâåäëèâà ñëåäóþùàÿ öåïî÷êà ðàâåíñòâ:

P{5 < T (70 : 75) ≤ 10} = P{T (70 : 75) > 5} − P{T (70 : 75) > 10} = = 5 p70:75 − 10 p70:75 = 5 p70 5 p75 − 10 p70 10 p75 = l80 l85 l80 l85 l75 l80 − = 1− . = l70 l75 l70 l75 l70 l75 (ii) Çäåñü äëÿ ñòàòóñà âûæèâàíèÿ ïîñëåäíåãî äâóõ ëèö (70 : 75) ïîëó÷àåì:

P{5 < T (70 : 75) ≤ 10} = P{T (70 : 75) ≤ 10} − P{T (70 : 75) ≤ 5} = 57

= 10 q70:75 − 5 q70:75 = 10 q70 10 q75 − 5 q70 5 q75 = = (1 − 10 p70 )(1 − 10 p75 ) − (1 − 5 p70 )(1 − 5 p75 ) = l85 l75 l80 l80 = 1− 1− − 1− 1− . l70 l75 l70 l75 (iii) Ñîãëàñíî ÒÏÆ (Ïðèëîæåíèå 1) èìååì äëÿ ìóæ÷èí ÑÑÑÐ 18, 787 9, 063 Pm {5 < T (70 : 75) ≤ 10} = 1− = 0, 3057, 43, 405 30, 857 18, 787 9, 063 Pm {5 < T (70 : 75) ≤ 10} = 1 − 1− − 43, 405 30, 857 30, 857 18, 7870 − 1− 1− = 0, 2875 43, 405 30, 857

Pm1 = P{5 < T (70) ≤ 10} =

l80 30, 857 18, 787 l75 − = − = 0, 2781, l70 l70 43, 405 43, 405

Pm2 = P{5 < T (75) ≤ 10} =

l80 l85 18, 787 9, 063 − = − = 0, 3151, l75 l75 30, 857 30, 857

à äëÿ æåíùèí ÑÑÑÐ

41, 674 24, 265 Pw {5 < T (70 : 75) ≤ 10} = 1− = 0, 3447, 70, 043 57, 679 41, 674 24, 265 Pw {5 < T (70 : 75) ≤ 10} = 1 − 1− − 70, 043 57, 679 57, 679 41, 674 − 1− 1− = 0, 1856, 70, 043 57, 679 Pw1 = P{5 < T (70) ≤ 10} =

57, 679 41, 674 − = 0, 2285, 70, 043 70, 043

Pw2 = P{5 < T (75) ≤ 10} =

41, 674 24, 265 − = 0, 30182. 57, 679 57, 679

Ìîæíî íàéòè è ðàçëè÷íûå ÷èñëîâûå õàðàêòåðèñòèêè äëÿ ñòàòóñîâ U := x1 : x2 : . . . : xm è U := x1 : x2 : . . . : xm , â ÷àñòíîñòè, ñîãëàñíî ï.3.3 Z ∞ Z ∞ ◦ eU = ET (U ) = t fU (t) dt = t pU dt, 0

0

58

DT (U ) =

∞

Z 0

Z ◦ 2 t2 fU (t) dt − eU = 2

∞

0

◦ 2 t t pU dt − eU . ◦

Ïðèìåð 5.4.2. Â ïðåäïîëîæåíèè íåçàâèñèìîñòè ñìåðòåé íàéòè ex1 :x2

äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà. Ð å ø å í è å. Âîñïîëüçîâàâøèñü ôîðìóëîé (5.3.1), èìååì ◦

ex1 :x2 =

Z

∞

t fx1 :x2 (t) dt =

min(ω−x1 ,ω−x2 )

Z

0

t

0

+

Z

max(ω−x1 ,ω−x2 )

t

min(ω−x1 ,ω−x2 )

= +

2t dt+ (ω − x1 )(ω − x2 )

dt = (ω − x1 )(ω − x2 )

2 min3 (ω − x1 , ω − x2 ) + 3(ω − x1 )(ω − x2 )

max2 (ω − x1 , ω − x2 ) − min2 (ω − x1 , ω − x2 ) = 2 max(ω − x1 )(ω − x2 ) =

2 min2 (ω − x1 , ω − x2 ) + 3 max(ω − x1 )(ω − x2 )

+

max2 (ω − x1 , ω − x2 ) − min2 (ω − x1 , ω − x2 ) = 2 max(ω − x1 )(ω − x2 )

=

min2 (ω − x1 , ω − x2 ) + 3 max2 (ω − x1 , ω − x2 ) . 6 max(ω − x1 )(ω − x2 ) ◦

Ïðèìåð 5.4.3. Â ïðåäïîëîæåíèè íåçàâèñèìîñòè ñìåðòåé íàéòè ex:x

äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà. Ð å ø å í è å. Âîñïîëüçîâàâøèñü ôîðìóëîé (5.1.3), ïîëó÷àåì ◦

ex:x = 2

Z

ω−x

0

5.5

t

ω−x−t ω−x dt = . (ω − x)2 ) 3

Ñòàòóñû k âûæèâøèõ, ñìåøàííûå ñòàòóñû (compound statuses)

Ñòàòóñ âûæèâàíèÿ k ïîñëåäíèõ ( k -survivor status) îáîçíà÷àåòñÿ

U :=

k x1 : x2 : . . . : xm 59

(5.5.1)

è ñóùåñòâóåò äî òåõ ïîð, ïîêà æèâû ïî êðàéíåé ìåðå k èç m èíäèâèäóóìîâ (x1 ), (x2 ), . . . , (xm ), ò.å. îí ñ÷èòàåòñÿ ðàçðóøåííûì ïðè íàñòóïëåíèè (m − k + 1)-é ñìåðòè. Ïîíÿòíî, ÷òî m = (x1 : x2 : . . . : xm ), x1 : x2 : . . . : xm 1 = (x1 : x2 : . . . : xm ), x1 : x2 : . . . : xm è, ñëåäîâàòåëüíî, ñîñòîÿíèå ñîâìåñòíîé æèçíè ( k = m) è ñîñòîÿíèå âûæèâàíèÿ ïîñëåäíåãî ( k = 1) ÿâëÿþòñÿ ÷àñòíûìè ñëó÷àÿìè ñòàòóñà (5.5.2). Òî÷íûé ñòàòóñ âûæèâàíèÿ k ïîñëåäíèõ ( [k]-deferred survivor status) îáîçíà÷àåòñÿ [k] U := (5.5.2) x1 : x2 : . . . : xm è ñóùåñòâóåò, åñëè æèâû â òî÷íîñòè k èç m èíäèâèäóóìîâ (x1 ), (x2 ), . . . , (xm ), ò.å. îí íà÷èíàåòñÿ â ìîìåíò (m − k)-é ñìåðòè è ïðåêðàùàåòñÿ â ìîìåíò (m − k + 1)-é ñìåðòè. Ýòîò ñòàòóñ íàõîäèò øèðîêîå ïðèìåíåíèå ïðè ðàñ÷åòå àííóèíèòåòîâ (ïîñëåäîâàòåëüíîñòåé ïëàòåæåé ñ îãðàíè÷åííûì ñðîêîì äëèòåëüíîñòè) [1, ñ.484], [4, ñ.107]. Èòàê, ìû îïðåäåëèëè ñòàòóñû äëÿ ãðóïïû èíäèâèäóóìîâ ÷åðåç îáùèé ñòàòóñ k âûæèâøèõ. Îòìåòèì, ÷òî íîâûå ñòàòóñû ìîæíî òàêæå êîìáèíèðîâàòü èç ðàññìîòðåííûõ â äàííîé ãëàâå áàçîâûõ ñòàòóñîâ. Ñìåøàííûì ñòàòóñîì íàçîâåì ñîñòîÿíèå, â îñíîâå êîòîðîãî ëåæèò êîìáèíàöèÿ ñòàòóñîâ, ïðè÷åì õîòÿ áû îäèí èç íèõ çàäàí äëÿ áîëåå, ÷åì îäíîãî èíäèâèäóóìà. Ïðèìåð 5.5.1. Îïèøèòå ñëåäóþùèå ñìåøàííûå ñòàòóñû: (i) (x1 : x2 : x3 : x4 ) ; (ii) x1 : x2 : (x3 : x4 ) ; (iii) (x1 : x2 : x3 : x4 ) . Ð å ø å í è å. (i) Ýòî ñîñòîÿíèå ñîõðàíÿåòñÿ, åñëè æèâ ïî êðàéíåé ìåðå îäèí èç ( x1 ) è (x2 ) è ïî êðàéíåé ìåðå îäèí èç ( x3 ) è (x4 ). Ìîìåíòîì ðàçðóøåíèÿ ñòàòóñà (x1 : x2 : x3 : x4 ) ÿâëÿåòñÿ

T (U ) = min{max{T (x1 ), T (x2 )}, max{T (x3 ), T (x4 )}}. (ii) Òàêîå ñîñòîÿíèå ñîõðàíÿåòñÿ, åñëè æèâû ïî êðàéíåé ìåðå äâîå èç ÷åòûðåõ, èìåííî, ( x3 ) è (x4 ), èëè, êîãäà òîëüêî îäèí æèâ, è ýòî ëèáî (x1 ), ëèáî (x2 ). Ìîìåíòîì ðàçðóøåíèÿ ñòàòóñà ÿâëÿåòñÿ

x1 : x2 : (x3 : x4 )

T (U ) = max{max{T (x1 ), T (x2 )}, min{T (x3 ), T (x4 )}}. 60

(iii) Ñîñòîÿíèå ñîõðàíÿåòñÿ, åñëè æèâû ( x1 ), (x2 ) è, êîãäà åù¼ îäèí æèâ, è ýòî ëèáî ( x3 ), ëèáî (x4 ). Ìîìåíòîì ðàçðóøåíèÿ ñòàòóñà (x1 : x2 : x3 : x4 ) ÿâëÿåòñÿ

T (U ) = min{T (x1 ), T (x2 ), max{T (x3 ), T (x4 )}}.

5.6


Óáåäèòåñü, ÷òî ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ (5.1.2) ñòàòóñà ñîâìåñòíîé æèçíè äâóõ èíäèâèäóóìîâ U := x1 : x2 äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà óäîâëåòâîðÿåò óñëîâèþ íîðìèðîâêè.

Çàäàíèå 5.6.2 Óáåäèòåñü, ÷òî ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ (5.2.1) ñòàòóñà âûæèâàíèÿ ïîñëåäíåãî äâóõ èíäèâèäóóìîâ U := x1 : x2 äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà óäîâëåòâîðÿåò óñëîâèþ íîðìèðîâêè.

Çàäàíèå 5.6.3 Ïîêàæèòå, ÷òî äëÿ ýêñïîíåíöèàëüíîé ìîäåëè ñ ïëîòíîñòüþ ðàñïðåäåëåíèÿ f (t) = e−t , t ≥ 0, ñïðàâåäëèâû ôîðìóëû:

fx1 :x2 (t) = 2 e−2t ,

fx1 :x2 (t) = 2 e−t (1 − e−t ),

t ≥ 0.

Íàðèñóéòå ãðàôèêè ýòèõ ïëîòíîñòåé è ñðàâíèòå èõ ïîâåäåíèå ñî ñëó÷àåì ìîäåëè äå Ìóàâðà.

Çàäàíèå 5.6.4 Ïðåäïîëàãàÿ, ÷òî T (65), T (70) è T (75) íåçàâèñèìû, ïîëó÷èòü âûðàæåíèÿ âåðîÿòíîñòåé, ÷òî (i) ïåðâàÿ ñìåðòü ïðîèçîéäåò â ïðîìåæóòêå îò 5 äî 10 ëåò; (ii) ïîñëåäíÿÿ ñìåðòü ïðîèçîéäåò â òîì æå ïðîìåæóòêå. (iii) Ïîäñ÷èòàòü ýòè âåðîÿòíîñòè äëÿ ìóæ÷èí è æåíùèí ÑÑÑÐ, ñðàâíèòü ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè èíäèâèäóàëüíûìè âåðîÿòíîñòÿìè.


61

Â ïðåäïîëîæåíèè íåçàâèñèìîñòè ñìåðòåé äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà è ◦ ýêñïîíåíöèàëüíîé ìîäåëè Çàäàíèÿ 5.6.3 íàéòè ex1 :x2 .

Çàäàíèå 5.6.6 Óáåäèòåñü, ÷òî â ïðåäïîëîæåíèè íåçàâèñèìîñòè ñìåðòåé äëÿ ìîäåëè äå Ìóàâðà ◦

ex:x =

2(ω − x) , 3

DT (x : x) = DT (x : x) =

(ω − x)2 . 18

Çàäàíèå 5.6.7 Â ïðåäïîëîæåíèè íåçàâèñèìîñòè ñìåðòåé äëÿ ýêñïîíåíöèàëüíîé ìîäåëè ñ ïëîòíîñòüþ ðàñïðåäåëåíèÿ f (t) = λe−λ t , λ > 0, t ≥ 0, ïîëó÷èòå ôîðìóëû äëÿ

fx1 :x2 :x3 (t), ◦

ex1 :x2 :x3 ,

fx1 :x2 :x3 (t), ◦

ex1 :x2 :x3 ,

fx1 :x2 :x3 (t), ◦

ex1 :x2 :x3 .

Çàäàíèå 5.6.8 Îïèøèòå ñëåäóþùèå ñìåøàííûå ñòàòóñû: x1 : x2 : (x3 : x4 ) : x5 ; x1 : (x2 : x3 ) : (x4 : x5 ) : x6 .

62

6

ÑÒÀÒÈÑÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÌÅÒÎÄÛ ÎÖÅÍÈÂÀÍÈß

ÎÑÍÎÂÍÛÕ

ÂÅÐÎßÒÍÎÑÒ-

ÍÛÕ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊ ÀÊÒÓÀÐÍÎÉ ÌÀÒÅÌÀÒÈÊÈ Â ýòîé ãëàâå áóäóò ïîêàçàíû âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ ìåòîäîâ ìàòåìàòè÷åñêîé ñòàòèñòèêè â ñòðàõîâîì äåëå. Ïðè ýòîì çäåñü óìåñòíî åùå ðàç íàïîìíèòü, ÷òî èäåîëîãèÿ ïðåäûäóùèõ ãëàâ â ñîîòâåòñòâèè ñ ï.2.1 î÷åâèäíûì îáðàçîì ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ è íà òàêèå îáëàñòè ñòðàõîâàíèÿ, êîòîðûå íå ñâÿçàíû ñ ëè÷íûì ñòðàõîâàíèåì, èìåííî: îáîðóäîâàíèå ïðåäïðèÿòèé è ôèðì (equipment of organizations and firms), íàçåìíûé è âîçäóøíûé òðàíñïîðò (machine), ïðåäïðèíèìàòåëüñêèå ðèñêè (business ventures), ïðåäïðèíèìàòåëüñêèå ññóäû (business loans), êðåäèòû (credits) è ò.ä. Òàêæå íàïîìíèì, ÷òî, êàê è ðàíåå, êîíåö äîêàçàòåëüñòâ òåîðåì è ëåìì áóäåì îòìå÷àòü óêàçàòåëåì ♠.

6.1

Îöåíèâàíèå âåðîÿòíîñòåé

Ïðèìåðàìè âåðîÿòíîñòåé, ïîäëåæàùèõ îöåíèâàíèþ â ñòðàõîâîé ìàòåìàòèêå, ñëóæàò t qx , t px , qx , px , t|u qx , t| qx . Ïóñòü A ñëó÷àéíîå ñîáûòèå, A1 , A2 , . . . , AN îäíîðîäíàÿ ñåðèÿ íåçàâèñèìûõ îïûòîâ, â ðåçóëüòàòå êàæäîãî èç êîòîðûõ ñîáûòèå A ëèáî íàñòóïàåò ñ âåðîÿòíîñòüþ P(A), ëèáî íå íàñòóïàåò ñ âåðîÿòíîñòüþ 1 − P(A). Â ýòîì ñëó÷àå â êà÷åñòâå îöåíêè P(A) åñòåñòâåííî âçÿòü

PN (A) =

N k 1 X I(Ai ) = , N i=1 N

ãäå I(A) ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà, ðàâíàÿ èíäèêàòîðó ñîáûòèÿ : 1, åñëè ω ∈ A, I(A) = 0, åñëè ω ∈ / A,

k ω ýëåìåíòàðíîå ñîáûòèå (ñì. [8, ñ.15]), à îòíîøåíèå åñòü ÷àñòîòà N ñîáûòèÿ A â N îäíîðîäíûõ íåçàâèñèìûõ îïûòàõ. Îöåíêà PN (A) îáëàäàåò ñëåäóþùèìè ñâîéñòâàìè:

63

1) PN (A) íåñìåùåííàÿ îöåíêà äëÿ P(A), ò.å.

E PN (A) = P(A); 2) åå äèñïåðñèÿ ñ ðîñòîì ÷èñëà îïûòîâ óáûâàåò:

1 1 P(A)(1 − P(A)) < → 0 ïðè N → ∞; N N 3) ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà N PN (A) ðàñïðåäåëåíà ïî áèíîìèàëüíîìó çàêîíó: k P{N PN (A) = k} = CN [P(A)]k [1 − P(A)]N −k ; 4) PN (A) cîñòîÿòåëüíàÿ îöåíêà äëÿ P(A), ò.å. D PN (A) =

lim P{|PN (A) − P(A)| < ε} = 1 äëÿ ëþáîãî ε > 0;

N →∞

5) PN (A) îöåíêà ñ ìèíèìàëüíîé äèñïåðñèåé â êëàññå ëèíåéíûõ N X íåñìåùåííûõ îöåíîê âèäà ci I(Ai ), ci > 0; i=1

6) PN (A) ñõîäèòñÿ ñ âåðîÿòíîñòüþ 1 ê P(A), ò.å.

P{ lim |PN (A) − P(A)| = 0} = 1. N →∞

Äîêàçàòåëüñòâà ñâîéñòâ 14 ìîæíî íàéòè â áîëüøèíñòâå ó÷åáíèêîâ ïî ìàòåìàòè÷åñêîé ñòàòèñòèêå; ñâîéñòâî 5 äîêàçûâàåòñÿ ìåòîäîì íåîïðåäåëåííûõ ìíîæèòåëåé Ëàãðàíæà (çàäà÷à íà óñëîâíûé ýêñòðåìóì) [7, ñ.128], à ñâîéñòâî 6 âûòåêàåò èç óñèëåííîãî çàêîíà áîëüøèõ ÷èñåë [8, ñ.114], [9, 2], [10]. Çàìå÷àíèå 6.1.1. Ñìåùåííàÿ îöåíêà " #−1 −1 b PN (A) D 1 − PN (A) b P(A) = PN (A) 1 + = P (A) 1 + N P2N (A) PN (A) N

èìååò ñðåäíåêâàäðàòè÷åñêîå îòêëîíåíèå (ÑÊÎ) ìåíüøåå, ÷åì äèñïåðñèÿ íåñìåùåííîé îöåíêè D PN (A) (ñì. [11, 16]), ò.å. b b b u2 P(A) = DP(A) + b2 (P(A)) < D PN (A),

b b b ãäå b(P(A)) = E P(A) − P(A) ñìåùåíèå îöåíêè P(A). Ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ è ìàëûõ îáúåìàõ íàáëþäåíèé ÑÊÎ b îöåíêè P(A) èíîãäà ìîæåò îêàçàòüñÿ ìåíüøå äèñïåðñèè îöåíêè PN (A) â äâà-òðè ðàçà. Î ñïåöèôè÷åñêèõ òîíêîñòÿõ, ñâÿçàííûõ ñ îöåíèâàíèåì âåðîÿòíîñòåé â àêòóàðíîé ìàòåìàòèêå, ìîæíî ïðî÷èòàòü â ãëàâå 11 "Îöåíî÷íûå âåðîÿòíîñòè ñìåðòè"êíèãè Õ.Ãåðáåðà [4]. 64

6.2

Ïàðàìåòðè÷åñêèå è íåïàðàìåòðè÷åñêèå îöåíêè. Ýìïèðè÷åñêèå ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ è âûæèâàíèÿ

Ïðè îöåíèâàíèè ôóíêöèé ðàñïðåäåëåíèÿ è âûæèâàíèÿ, çàâèñÿùèõ îò êîíå÷íîãî íàáîðà íåèçâåñòíûõ ïàðàìåòðîâ, çàäà÷à íàõîæäåíèÿ íåèçâåñòíûõ ôóíêöèé ñâîäèòñÿ ê îöåíèâàíèþ íåèçâåñòíûõ ïàðàìåòðîâ. Äåéñòâèòåëüíî, íåêîòîðûå ðàñïðåäåëåíèÿ äîñòàòî÷íî òî÷íî îïèñûâàþò ïðîöåññ ñìåðòíîñòè èíäèâèäóóìîâ (ïîÿâëåíèÿ îòêàçîâ òåõ èëè èíûõ ýëåìåíòîâ). Ïðèìåðàìè òàêèõ ðàñïðåäåëåíèé àêòóàðíîé ìàòåìàòèêè ìîãóò ñëóæèòü ðàñïðåäåëåíèÿ ìîäåëåé äå Ìóàâðà, Ãîìïåðòöà, Ìýéêõàìà, Âåéáóëëà è Ýðëàíãà ðàññìîòðåííûå â ï.2.6. Â òåîðèè íàäåæíîñòè, èìåþùåé ìíîãî òî÷åê ñîïðèêîñíîâåíèÿ ñ àêòóàðíîé ìàòåìàòèêîé, êàê îòìå÷àëîñü ðàíåå, øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ýêñïîíåíöèàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå F (t, λ) = 1 − e−λt , t ≥ 0. Îíî îïèñûâàåò ìîìåíòû îòêàçîâ ýëåìåíòîâ, ó êîòîðûõ îñòàòî÷íîå âðåìÿ ñëóæáû íå çàâèñèò îò äëèòåëüíîñòè ïðåäøåñòâóþùåé ðàáîòû. Çàìåòèì, ÷òî, åñëè ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ îòêàçà ýêñïîíåíöèàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå, òî ôóíêöèÿ èíòåíñèâíîñòè ðàâíà êîíñòàíòå λ. Èç äðóãèõ ðàñïðåäåëåíèé α ìîæíî âûäåëèòü [12] ðàñïðåäåëåíèå Âåéáóëëà F (t, λ, α) = 1 − e−(λt) , t ≥ 0, λ, α > 0, êîòîðîå "èñïîëüçóåòñÿ äëÿ îïèñàíèÿ óñòàëîñòíûõ ÿâëåíèé [13], îòêàçîâ ýëåêòðîâàêóóìíûõ ïðèáîðîâ [14], ïîëîìîê ïîäøèïíèêîâ [15]." Åñëè ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ èçâåñòíà ñ òî÷íîñòüþ äî êîíå÷íîãî íàáîðà íåèçâåñòíûõ ïàðàìåòðîâ, òî èìååì ñëó÷àé ïàðàìåòðè÷åñêîé àïðèîðíîé íåîïðåäåëåííîñòè . Êëàññè÷åñêèå ìåòîäû (íàïðèìåð: ìåòîä ìàêñèìàëüíîãî ïðàâäîïîäîáèÿ, ìåòîä ìîìåíòîâ, ìåòîä íàèìåíüøèõ êâàäðàòîâ) ïîçâîëÿþò äîñòàòî÷íî ýôôåêòèâíî îöåíèâàòü ïî íàáëþäåíèÿì íåèçâåñòíûå ïàðàìåòðû. Â çàäà÷àõ îöåíèâàíèÿ íàäåæíîñòè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ñèñòåì ñòàòèñòè÷åñêèìè äàííûìè ÿâëÿþòñÿ ìîìåíòû îòêàçîâ èññëåäóåìûõ ýëåìåíòîâ, êîòîðûå, êàê ïðàâèëî, ïîëó÷àþò â ðåçóëüòàòå ïðîâåäåíèÿ áîëüøîãî ÷èñëà äîðîãîñòîÿùèõ ýêñïåðèìåíòîâ. Ê òîìó æå èññëåäîâàòåëè ÷àñòî íå îáëàäàþò äîñòàòî÷íîé èíôîðìàöèåé î ñàìèõ ýëåìåíòàõ è î ïðèðîäå âîçíèêíîâåíèÿ èõ îòêàçîâ. Âîçìîæåí òàêæå è ñëó÷àé, êîãäà ýòà èíôîðìàöèÿ ìîæåò îêàçàòüñÿ íåñîîòâåòñòâóþùåé ðåàëüíîìó îáúåêòó, ÷òî óñëîæíÿåò, à èíîãäà äåëàåò íåâîçìîæíûì, ïîñòðîåíèå àäåêâàòíîé ïàðàìåòðè÷åñêîé ìîäåëè. Åñëè àïðèîðíàÿ èíôîðìàöèÿ î ïðèðîäå îòêàçîâ íîñèò îáùèé õàðàêòåð (íàïðèìåð, èçâåñòíî, ÷òî ïðîèçâîäíûå ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ îòêàçà äî íåêîòîðîãî ïîðÿäêà ñóùåñòâóþò, íåïðåðûâíû è ò.ä.), çàäà÷ó îöåíèâàíèÿ íåèçâåñòíûõ ôóíêöèé ðàñïðåäåëåíèÿ, íàäåæíîñòè, èíòåíñèâíîñòè è äð. åñòåñòâåííî ðàññìàòðèâàòü ñ òî÷êè çðåíèÿ íåïàðàìåò65

ðè÷åñêîé ñòàòèñòèêè îäíîãî èç ðàçäåëîâ ìàòåìàòè÷åñêîé ñòàòèñòèêè. Èçëîæåííûå âûøå ïðîáëåìû, êîíå÷íî, èìåþò ìåñòî è ïðè ðåøåíèè ðàçëè÷íûõ çàäà÷ îöåíèâàíèÿ â àêòóàðíîé ìàòåìàòèêå, â ÷àñòíîñòè, ïðè ðàñ÷åòå íåòòî-ïðåìèé â íîâûõ è íåñòàíäàðòíûõ âèäàõ ñòðàõîâàíèÿ. Îïðåäåëèì òåðìèí "íåïàðàìåòðè÷åñêèé" ñîãëàñíî ìîíîãðàôèè Ô.Ï.Òàðàñåíêî [16]. "Íåïàðàìåòðè÷åñêàÿ çàäà÷à ýòî ñòàòèñòè÷åñêàÿ çàäà÷à, îïðåäåëåííàÿ íà òàêèõ êëàññàõ ðàñïðåäåëåíèé, ñðåäè êîòîðûõ õîòÿ áû îäèí íå ñâîäèòñÿ ê ïàðàìåòðè÷åñêîìó ñåìåéñòâó ôóíêöèé." Ãëàâíîå îòëè÷èå íåïàðàìåòðè÷åñêèõ ïðîöåäóð îò ïàðàìåòðè÷åñêèõ ñîñòîèò â òîì, ÷òî îíè ðàáîòîñïîñîáíû òîãäà, êîãäà àïðèîðíàÿ èíôîðìàöèÿ î ðàñïðåäåëåíèÿõ íå ïîçâîëÿåò âîñïîëüçîâàòüñÿ êàêèì-ëèáî ïàðàìåòðè÷åñêèì ñåìåéñòâîì ðàñïðåäåëåíèé ïðè îïðåäåëåíèè ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè îáúåêòà. Ââåäåì î á î ç í à ÷ å í è ÿ: =⇒ ñèìâîë ñõîäèìîñòè ïî ðàñïðåäåëåíèþ; Ns {µ, σ} s-ìåðíàÿ ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà, ðàñïðåäåëåííàÿ íîðìàëüíî ñ âåêòîðîì ñðåäíèõ µ = (µ1 , . . . , µs ) è êîâàðèàöèîííîé ìà" # σ11 · · · σ1s · · · · · · · · · , 0 ≤ σij = σij (x) < ∞, i, j = 1, s. òðèöåé σ = σs1 · · · σss Òàê êàê F (x) = P(X ≤ x), s(x) = P(X < x), òî ïî âûáîðêå îáúåìà N íåçàâèñèìûõ îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí {Xi , i = 1, N }, ÿâëÿþùèõñÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòÿìè æèçíåé N èíäèâèäóóìîâ, â êà÷åñòâå ïðîñòåéøèõ îöåíîê åñòåñòâåííî âçÿòü:

FN (x) =

N N 1 X 1 X I(Xi ≤ x), sN (x) = I(Xi > t). N i=1 N i=1

(6.2.1)

Îöåíêà FN (x) íàçûâàåòñÿ ýìïèðè÷åñêîé ôóíêöèåé ðàñïðåäåëåíèÿ , âîîáùå ãîâîðÿ ÿâëÿåòñÿ íåïàðàìåòðè÷åñêîé îöåíêîé äëÿ F (x) è îáëàäàåò âñåìè ñâîéñòâàìè ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ. Ñòàòèñòè÷åñêèå ñâîéñòâà ýìïèðè÷åñêîé ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ FN (x) õîðîøî èçâåñòíû [9], [10]. Ïîíÿòíî, ÷òî îíè ïî ñóòè èäåíòè÷íû ñâîéñòâàì îöåíêè PN (A). Ïðèâåäåì çäåñü ëèøü òå èç íèõ, êîòîðûå ïîíàäîáÿòñÿ íàì â äàëüíåéøåì ïðè ïðîâåäåíèè ñðàâíèòåëüíîãî àíàëèçà ñî ñâîéñòâàìè ýìïèðè÷åñêîé ôóíêöèè âûæèâàíèÿ è ãëàäêèõ ýìïèðè÷åñêèõ îöåíîê ôóíêöèé ðàñïðåäåëåíèÿ è âûæèâàíèÿ: 1) EFN (x) = F (x); 1 2) DFN (x) = F (x)(1 − F (x)); N 3) â ñèëó öåíòðàëüíîé ïðåäåëüíîé òåîðåìû

ξN (x) FN (x) = F (x) + √ , N 66

ãäå ðàñïðåäåëåíèå ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû ξN (x) ñõîäèòñÿ ïî ðàñïðåäåëåíèþ ê íîðìàëüíîìó çàêîíó ñ ïàðàìåòðàìè {0, F (x) (1 − F (x))}, ò.å. N 1 X ξN (x) = √ [I(Xi ≤ x) − F (x)] =⇒ N1 {0, F (x) (1 − F (x))} . (6.2.2) N i=1

4) FN (x) îöåíêà ñ ìèíèìàëüíîé äèñïåðñèåé â êëàññå ëèíåéíûõ N X ci I(Xi ≤ x), ci > 0. íåñìåùåííûõ îöåíîê âèäà Òàê êàê

sN (x) =

i=1

N N 1 X 1 X I(Xi > x) = [1 − I(Xi ≤ x)] = 1 − FN (x), N i=1 N i=1

òî îöåíêà ôóíêöèè âûæèâàíèÿ (íàäåæíîñòè) sN (x) îáëàäàåò ñâîéñòâàìè, àíàëîãè÷íûìè ñâîéñòâàì ýìïèðè÷åñêîé ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ FN (x). Â ÷àñòíîñòè, 1) EsN (x) = s(x); 1 1 2) DsN (x) = F (x)(1 − F (x)) = s(x)(1 − s(x)). N N Ïðèâåäåííûå âûøå îöåíêè FN (x) è sN (x) èìåþò äâà íåäîñòàòêà: 1) îíè èìåþò ðàçðûâû â òî÷êàõ X1 , . . . , Xn ; 2) îöåíêà FN (x) = 0 â îáëàñòè Ω0 = [0, min (X1 , . . . , XN )] , à sN (x) = 0 â îáëàñòè Ω∞ = [max (X1 , . . . , XN ) , ∞] . Òàê, îöåíêà ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè, ïîëó÷åííàÿ ìåòîäîì ïîäñòàíîâêè fN (x) , (6.2.3) µ cx = sN (x) ââèäó íåäîñòàòêà 2) â îáëàñòè Ω∞ íåðàáîòîñïîñîáíà äëÿ ëþáîé îöåíêè ïëîòíîñòè fN (x).

6.3

Ãëàäêàÿ ýìïèðè÷åñêàÿ ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ, åå àñèìïòîòè÷åñêàÿ íåñìåùåííîñòü è ïîðÿäîê ñõîäèìîñòè ñìåùåíèÿ

Îïðåäåëåíèå 6.3.1 . Áîðåëåâñêàÿ ôóíêöèÿ S(u) ïðèíàäëåæèò êëàññó ôóíêöèé âûæèâàíèÿ Suv ( â çíàêàõ: S(u) ∈ Suv ), åñëè S(u) íåïðåðûâíàÿ, ñòðîãî ìîíîòîííî óáûâàþùàÿ ôóíêöèÿ, òàêàÿ, ÷òî S(u) : R1 → R1 , S(−∞) = 1, S(∞) = 0.

67

Óêàçàííûõ â ïðåäûäóùåì ïóíêòå íåäîñòàòêîâ îöåíêè sN (x) ëèøåíà ñëåäóþùàÿ ãëàäêàÿ ýìïèðè÷åñêàÿ ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ:

N 1 X x − Xi sf S , N (x) = N i=1 aN

(6.3.1)

ãäå S(u) ∈ Suv , ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ÷èñåë aN ↓ 0. Ôóíêöèþ S(u) íàçîâåì ÿäðîì îöåíêè (6.3.1). Çàìå÷àíèå 6.3.1. Ãëàäêàÿ ýìïèðè÷åñêàÿ ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ sf N (x) (7.3.1) ïðè aN = 0 ñîâïàäàåò ñ ýìïèðè÷åñêîé ôóíêöèåé âûæèâàíèÿ sN (x) (7.2.1), ò.å. sf N (x)|aN =0 = sN (x).

Îïðåäåëåíèå 6.3.2 . Ôóíêöèÿ H(z) : Rs → R1 ïðèíàäëåæèò êëàññó Nν,s (x), åñëè ôóíêöèÿ H(z) è âñå åå ÷àñòíûå ïðîèçâîäíûå äî ν -ãî ïîð ÿäêà âêëþ÷èòåëüíî íåïðåðûâíû â òî÷êå x; H(z) ∈ Nν,s (R), åñëè óêàçàííûå ñâîéñòâà ôóíêöèè H(z) âûïîëíÿþòñÿ äëÿ âñåõ x ∈ Rs . Âûïèøåì óñëîâèÿ, ïðè êîòîðûõ îöåíêà (6.3.1) ÿâëÿåòñÿ àñèìïòîòè÷åñêè íåñìåùåííîé äëÿ s(x).

Ëåììà 6.3.1 (àñèìïòîòè÷åñêàÿ íåñìåùåííîñòü sf N ). Åñëè ôóíêöèÿ âûæèâàíèÿ s(z) ∈ N0,1 (x), ò.å. s(z) íåïðåðûâíà â òî÷êå x, S(u) ∈ Suv, à ïîñëåäîâàòåëüíîñòü âåùåñòâåííûõ ÷èñåë aN ↓ 0, òî (6.3.2)

lim Esf N (x) = s(x).

N →∞

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ïî îïðåäåëåíèþ ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ, ó÷èòûâàÿ íåïðåðûâíîñòü ôóíêöèè âûæèâàíèÿ s(·) â òî÷êå x, èìååì " # Z N x − Xi x−y 1 X S = S dF (y) = Esf N (x) = E N aN aN i=1

=

Zx

S

x−y aN

R1+

Z∞ x−y dF (y) + S dF (y), aN x

0

ãäå R1+ = [0, ∞). Òàê êàê

lim S

N →∞

x−y aN

=

68

0, åñëè 1, åñëè

y < x, y > x,

(6.3.3)

òî â ñèëó òåîðåìû Ëåáåãà î ìàæîðèðóåìîé ñõîäèìîñòè (ñì. ïðèëîæåíèå 4, òåîðåìà 1Ï)

lim

Z

N →∞ R1+

S

x−y aN

dF (y) =

Z∞

dF (y) = 1 − F (x) = s(x). ♠

x

2 Äëÿ ïîñòðîåíèÿ îöåíîê sf f N (x), ó êîòîðûõ ãëàâíàÿ ÷àñòü ÑÊÎ u (s N (x)) = s(x) (1 − s(x)) 2 E (sf ýìïèðè÷åñêîé N (x) − s(x)) ñîâïàäàåò ñ äèñïåðñèåé N ôóíêöèè âûæèâàíèÿ sN (x), îïðåäåëåííîé â (6.2.1), íåîáõîäèìî óñòàíîâèòü ïîðÿäîê ñõîäèìîñòè ê íóëþ ñìåùåíèÿ

b (sf f N (x)) = Es N (x) − s(x).

sf N (x)|aN =0 = sN (x). Òàê êàê èññëåäîâàòåëü ìîæåò ñàì âûáèðàòü ïîäõîäÿùèå ÿäðà S(u) îöåíêè sf f N (x), ñíà÷àëà èçó÷èì ñâîéñòâà îöåíêè s N (x) ñ ÿäðîì Ëàïëàñà SLAP (u) = 1 − FLAP (u), ãäå FLAP (u) ÿäðî-ðàñïðåäåëåíèå Ëàïëàñà: 0.5eu , −∞ < u < 0, FLAP (u) = 1 − 0.5e−u , 0 ≤ u < ∞. Â ýòîì ñëó÷àå

SLAP (u) =

1 − 0.5eu , −∞ < u < 0, 0.5e−u , 0 ≤ u < ∞.

(6.3.4)

Íàéäåì ïîðÿäîê ñõîäèìîñòè ñìåùåíèÿ îöåíêè

sf N LAP (x) =

N 1 X x − Xi SLAP . N i=1 aN

Ëåììà 6.3.2 (ïîðÿäîê ñõîäèìîñòè ñìåùåíèÿ sf N LAP ). Ïóñòü s(z) ∈ N0,1 (x), sup f (x) ≤ C < ∞, aN ↓ 0. Òîãäà ïðè N → ∞ x∈R1+

|b (sf N LAP (x))| = O (aN ) .

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ïðåäñòàâèì Z x−y Esf (x) = S dF (y) = N LAP LAP aN R1+

69

(6.3.5)

= s(x) +

Zx

SLAP

x−y aN

Z∞ x−y dF (y) + SLAP − 1 dF (y) = aN x

0

= s(x) +

Zx

− x−y a

0.5e

N

f (y)dy +

Z∞ h

i x−y 1 − 0.5e aN − 1 f (y)dy.

x

0

Ñäåëàâ â èíòåãðàëàõ çàìåíó ïåðåìåííûõ u =

x−y è ó÷èòûâàÿ îãðàaN

íè÷åííîñòü êðèâîé ñìåðòåé, ïîëó÷èì   x/a Z N Z0 aN   |b (sf e−u du + eu du =  N LAP (x))| ≤ C 2 −∞

0

aN −x/aN =C −e + 1 + 1 − e−∞ = O (aN ) . ♠ 2 Èç ëåììû 6.3.2 ñëåäóåò, ÷òî ïðè íàõîæäåíèè ïîðÿäêà ñõîäèìîñòè ê íóëþ ñìåùåíèÿ îöåíêè sf N (x) âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü îïðåäåëÿòü ïîðÿäîê ñõîäèìîñòè ê íóëþ ïðè N → ∞ èíòåãðàëîâ Zx Z∞ x−y x − y dy, S − 1 S dy. (6.3.6) aN aN x

0

Â îáùåì ñëó÷àå, êîãäà ÿäðà S(u) ∈ Suv, ðåøåíèå òàêîé çàäà÷è íàòàëêèâàåòñÿ íà îïðåäåëåííûå òðóäíîñòè. Íàïðèìåð, âûáðàâ ÿäðî S(u) = 1 − F(u), ãäå F(u) ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ Êîøè:

1 arctan(u) − , 2 π ïîëó÷èì, ÷òî ïåðâûé èíòåãðàë â (6.3.6) ðàñõîäèòñÿ, à âòîðîé ñõîäèòñÿ ê íåêîòîðîé êîíñòàíòå. Â ñâÿçè ñ ýòèì îïðåäåëèì òàêîé êëàññ ÿäåð, äëÿ êîòîðîãî óæå ìîæíî íàéòè ïîðÿäîê ñõîäèìîñòè ñìåùåíèÿ ê íóëþ. S(u) =

Îïðåäåëåíèå 6.3.3 . Ôóíêöèÿ S(u) ïðèíàäëåæèò êëàññó ôèíèòíûõ ôóíêöèé âûæèâàíèÿ F inS (S(u) ∈ F inS ), åñëè ( 1, −∞ < u < C1 , Z(u), C1 ≤ u ≤ C2 , S(u) = 0, C2 < u < ∞, ãäå Z(u) íåïðåðûâíàÿ, ñòðîãî ìîíîòîííî óáûâàþùàÿ ôóíêöèÿ, òàêàÿ, ÷òî Z(C1 ) = 1, Z(C2 ) = 0, C1 < C2 . 70

Â êà÷åñòâå ôèíèòíîãî ÿäðà ãëàäêèõ ýìïèðè÷åñêèõ ôóíêöèé âûæèâàíèÿ ìîæíî âçÿòü, íàïðèìåð, ðàâíîìåðíîå â [C1 , C2 ] ÿäðî, äëÿ êîòîu − C1 ðîãî Z(u) = 1 − . C2 − C1 Íàéäåì ñêîðîñòü ñõîäèìîñòè ê íóëþ ñìåùåíèÿ îöåíêè sf N F in (x) ñ ôèíèòíûì ÿäðîì S(u) ∈ F inS .

Ëåììà 6.3.3 (ïîðÿäîê ñõîäèìîñòè ñìåùåíèÿ sf N F in ). Åñëè s(z) ∈ N0,1 (x), sup f (x) ≤ C < ∞, aN ↓ 0, x∈R1+

òî ïðè N → ∞

(6.3.7)

|b (sf N F in (x))| = O (aN ) .

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ïðåäñòàâèì Z∞ x−y Esf S dF (y) = N F in (x) = aN 0

= s(x) +

Zx

S

x−y aN

Z∞ x−y dF (y) + S − 1 dF (y). aN x

0

Â ñèëó dF (y) = f (y)dy è îãðàíè÷åííîñòè êðèâîé ñìåðòåé  x  Z Z∞ x − y x − y  S Esf dy + S − 1 dy  . N F in (x) ≤ s(x) + C aN aN x

0

Ñäåëàâ â èíòåãðàëàõ çàìåíó ïåðåìåííûõ u =



 |b (sf N F in (x))| ≤ CaN 

x/a Z N

S (u) du +

Z0

−∞

0

x−y , ïîëó÷èì aN 

 |S (u) − 1| du .

Òàê êàê ïðè ëþáîì N èíòåãðàëû x/a Z N 0

Z0 −∞

|S (u) − 1| du ≤

ZC2 C1

S (u) du ≤

ZC2

S (u) du < ∞,

C1

|S (u) − 1| du < ∞, òî |b (sf N (x))| = O (aN ) . ♠ 71

6.4

Ïðåäåëüíàÿ äèñïåðñèÿ, ñêîðîñòü ñõîäèìîñòè ÑÊÎ è àñèìïòîòè÷åñêàÿ íîðìàëüíîñòü ãëàäêîé ýìïèðè÷åñêîé ôóíêöèè âûæèâàíèÿ

Íàéäåì ïðåäåëüíûå äèñïåðñèè îöåíîê sf N (x) ñ ÿäðîì S(u) ∈ Suv (ñì. îïðåäåëåíèå 6.3.1) è sf N F in (x).

Ëåììà 6.4.1 (äèñïåðñèÿ sf N ). Åñëè âûïîëíåíû óñëîâèÿ ëåììû 6.3.1,

òî ïðè N → ∞

s(x) (1 − s(x)) Dsf +o N (x) = N

1 N

(6.4.1)

.

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ïî îïðåäåëåíèþ äèñïåðñèè, ó÷èòûâàÿ (6.3.3), èìååì: x − X1 1 Dsf DS = N (x) = N aN   2    Z Z   1 x−y x−y 2   = S dF (y) − S dF (y) . (6.4.2)  N aN aN   R1+

R1+

Ïðèìåíÿÿ ê èíòåãðàëàì ïðèåìû èç ëåììû 6.3.1, ïîëó÷àåì: s(x) (1 − s(x)) 1 1 2 Dsf (x) = s(x) − s (x) + o(1) = + o . ♠ N N N N

Ñëåäñòâèå 6.4.1. Òàê êàê ÿäðî SLAP (u) ∈ Suv, òî â ñèëó ëåììû

6.4.1

s(x) (1 − s(x)) Dsf +o N LAP (x) = N

1 N

.

Ëåììà 6.4.2 (äèñïåðñèÿ sf N F in ). Åñëè âûïîëíåíû óñëîâèÿ ëåììû 6.3.3, òî ïðè N → ∞ a s(x) (1 − s(x)) s(x) (1 − s(x)) 1 N Dsf +O = +o . N F in (x) = N N N N (6.4.3) Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ïðèìåíèâ ê èíòåãðàëàì ïðåäñòàâëåíèÿ (6.4.2) ïðèåìû èç ëåììû 6.3.3 ïðèõîäèì ê ñîîòíîøåíèþ (6.4.3). ♠ Íàéäåì ãëàâíûå ÷àñòè àñèìïòîòè÷åñêèõ ÑÊÎ îöåíîê sf f N F in è s N LAP (x). 72

Òåîðåìà 6.4.1 (ÑÊO sf N F in ). Ïóñòü âûïîëíåíû óñëîâèÿ ëåììû 6.3.3. Òîãäà ïðè N → ∞  √ s(x) (1 − s(x)) 1   +o , aN = o 1/ N ;  N N u2 (sf √ N F in ) = 1   , aN = O 1/ N .  O N

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Óòâåðæäåíèå òåîðåìû ñëåäóåò èç ïðåäñòàâ2 ëåíèÿ u2 (sf f f N F in (x)) è ðåçóëüòàòîâ (6.4.3), N F in (x)) = Ds N F in (x) + b (s (6.3.7). ♠

Òåîðåìà 6.4.2 (ÑÊO sf N LAP ). Ïóñòü âûïîëíåíû óñëîâèÿ ëåììû 6.3.2. Òîãäà ïðè N → ∞  √ 1 s(x) (1 − s(x))   +o , aN = o 1/ N ;  N N u2 (sf √ N LAP ) = 1   , aN = O 1/ N .  O N

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ñëåäñòâèå 6.4.1 è ëåììà 6.3.2 íåìåäëåííî ïðèâîäÿò ê óòâåðæäåíèþ òåîðåìû. ♠ Îïðåäåëèì ïðåäåëüíîå ðàñïðåäåëåíèå îöåíêè sf N F in (x). N Ââåäåì îáîçíà÷åíèå: {ξj,N }j=1 , N = 1, 2, . . . ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íåçàâèñèìûõ îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí â ñõåìå ñåðèé (ðàñïðåäåëåíèå ξj,N çàâèñèò îò N ).

Òåîðåìà 6.4.3 Åñëè âûïîëíåíû óñëîâèÿ ëåììû 6.3.3 è aN = o N −1/2 ïðè N → ∞, òî √

N [sf N F in (x) − s(x)] =⇒ N1 {0, s(x)(1 − s(x))} .

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ïðåäñòàâèì √ N [sf N F in (x) − s(x)] = √ √ = N [sf f N b (sf N F in (x) − Es N F in (x)] + N F in (x)) .

(6.4.4)

(6.4.5)

ßñíî, ÷òî âòîðîå ñëàãàåìîå â ïðàâîé ÷àñòè (6.4.5) ñîãëàñíî (6.3.7) ñõîäèòñÿ ê íóëþ ïðè N → ∞: √ √ h −1/2 i N b (sf N o N −→ 0. (6.4.6) N F in (x)) = 73

Ïîêàæåì, ÷òî äëÿ ïåðâîãî ñëàãàåìîãî â ïðàâîé ÷àñòè (6.4.5) âûïîëíÿþòñÿ âñå óñëîâèÿ öåíòðàëüíîé ïðåäåëüíîé òåîðåìû â ñõåìå ñåðèé [ ?, c. 435]or1. Ïóñòü 1 x − Xj x − Xj ξj,N = √ S − ES . aN aN N N

1 X Òàêèì îáðàçîì, sf f ξj,N . Î÷åâèäíî, ÷òî N F in (x) − Es N F in (x) = √ N j=1 Eξj,N = 0 è, ó÷èòûâàÿ ðåçóëüòàò ëåììû 6.4.1, x − Xj 1 2 Eξj,N = DS < ∞. N aN 2 Òàêæå, ñîãëàñíî ëåììå 6.4.1 lim nEξ1,N = s(x) (1 − s(x)) . N →∞

Ïðîâåðèì âûïîëíåíèå óñëîâèÿ Ëèíäåáåðãà, êîòîðîå ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íûì óñëîâèåì ïðèìåíèìîñòè öåíòðàëüíîé ïðåäåëüíîé òåîðåìû. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî sup S(u) ≤ 1, äëÿ ëþáîãî τ > 0 èìååì u∈R1

N 2 3 βN = nE |ξ1,N | , |ξ1,N | > τ < E |ξ1,N | ≤ τ " 3 3 # C x − X 2C x − X 1 1 + ES 0 óñëîâèÿ lim hN = 0, lim N →∞

N →∞

ñîîòâåòñòâåííî H1 , H2 . Z∞

hN +

1 N hN

= 0, îáîçíà÷èì

Ëåììà 6.6.3 (äèñïåðñèÿ fN ). Åñëè âûïîëíåíû óñëîâèÿ ëåììû 6.6.2, K 2 (u)du < ∞ è hN ∈ H2 , òî ïðè N → ∞

−∞

f (x) DfN (x) = N hN

Z∞

K 2 (u)du + o

−∞

78

1 N hN

.

(6.6.8)

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ïî îïðåäåëåíèþ äèñïåðñèè ∞ Z 1 x − X1 1  x−y 2 DfN (x) = DK = K f (y)dy− N h2N hN N h2N hN 0

2  ∞ Z x−y  f (y)dy   . − K hN

(6.6.9)

0

Ïîñëå çàìåíû ïåðåìåííûõ u =

x−y â èíòåãðàëàõ (6.6.9) ïîëó÷àåì hN

DfN (x) = 

1  = N hN

Z∞

−∞

−

Z∞

x/hN



2

K (u)f (x − uhN )du − hN 

Z∞

K(u)f (x − uhN )du−

−∞

2

 K(u)f (x − uhN )du −

Z∞

x/hN



 K 2 (u)f (x − uhN )du .

Äàëåå, ðàññóæäàÿ òàêæå, êàê è â ëåììå 6.6.2, ïðèõîäèì ê äîêàçûâàåìîìó óòâåðæäåíèþ:   Z∞ 1  2 DfN (x) = f (x) K 2 (u)du + hN (f (x) + o(1)) + o(1) = N hN −∞

f (x) = N hN

Z∞

2

K (u)du + o

−∞

1 N hN

. ♠

Äëÿ ïîñòðîåíèÿ îöåíîê fN (x), îïòèìàëüíûõ ïî ñêîðîñòè ñõîäèìîñòè ÑÊÎ, íåîáõîäèìî îïðåäåëèòü ïîðÿäîê ñõîäèìîñòè ê íóëþ ñìåùåíèÿ b (fN (x)). f (ν) (x) Îáîçíà÷èì wν (x) = Tν , ãäå ν!

f (ν) (x) =

∂ ν f (x) (0) , f (x) = f (x). ∂xν 79

Ëåììà 6.6.4 (ñêîðîñòü ñõîäèìîñòè ñìåùåíèÿ b(fN )).

Ïóñòü 1) êðèâàÿ f (z) ∈ Nν,1 (R) ; ñìåðòåé (m) 2) sup f (x) < ∞, m = 0, ν; x∈R1

3) ÿäðî K(u) ∈ Aν áåç óñëîâèÿ sup |K(u)| < ∞; u∈R1

4) 1 − K(x) = o x

−ν

Zx

ïðè x → ∞, ãäå K(x) =

K(u)du;

−∞

5) hN ↓ 0. Òîãäà ïðè N → ∞ ñìåùåíèå b(fN ) óäîâëåòâîðÿåò ñîîòíîøåíèþ

|b(fN (x)) − wν (x)hνN | = o (hνN ) .

(6.6.10)

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ðàíåå, â (6.6.5), áûëî ïîêàçàíî, ÷òî

EfN (x) =

Z∞

f (x − uhN )K(u)du −

−∞

Z∞

f (x − uhN )K(u)du.

(6.6.11)

x/hN

Äëÿ âòîðîãî èíòåãðàëà ïðåäñòàâëåíèÿ (6.6.11), ó÷èòûâàÿ îãðàíè÷åííîñòü f (x) è óñëîâèå 4) äîêàçûâàåìîé ëåììû, èìååì ïðè N → ∞

Z∞

f (x − uhN )K(u)du ≤ C

x/hN

Z∞

K(u)du =

x/hN

x = o(hνN ). =C 1−K hN

(6.6.12)

Â ïåðâîì èíòåãðàëå (6.6.11), ðàçëîæèâ ôóíêöèþ f (x − uhN ) ïî ôîðìóëå Òåéëîðà ñ îñòàòî÷íûì ÷ëåíîì â ôîðìå Ëàãðàíæà (ñì. óòâåðæäåíèå 3Ï ïðèëîæåíèÿ 4), ïîëó÷èì

EfN (x) = f (x) +

ν−1 X

(−1)i f (i) (x)

i=1

ν (ν)

+(−1) f

hν (x) N Tν + γN − ν!

Z∞

x/hN

80

hiN Ti + i!

f (x − uhN )K(u)du,

(6.6.13)

ãäå

γN

(−1)ν hνN = ν!

Z∞ h

i f (ν) (x + (−1)ν uhN θ) − f (ν) (x) uν K(u)du,

−∞

0 < θ < 1. Òàê êàê

Z∞

|uν K(u)| du < ∞, à äëÿ êàæäîãî x ∈ R1 ïðè N → ∞

−∞

f (ν) (x + (−1)ν uhN θ) → f (ν) (x), òî óñëîâèÿ òåîðåìû Ëåáåãà î ìàæîðèðóåìîé ñõîäèìîñòè âûïîëíåíû, è, ñëåäîâàòåëüíî, |γN | = o (hνN ) . Ñ ó÷åòîì òîãî, ÷òî ñóììà â (6.6.13) ðàâíà íóëþ (èç óñëîâèÿ 3): Ti = 0, i = 1, . . . , ν − 1), òåïåðü ñëåäóåò ñïðàâåäëèâîñòü óòâåðæäåíèÿ (6.6.10). ♠ Ëåììà 6.6.4 óêàçûâàåò ïóòü ê íàõîæäåíèþ íåïàðàìåòðè÷åñêèõ îöåíîê ïëîòíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ ñî ñêîëü óãîäíî âûñîêîé ñêîðîñòüþ ñõîäèìîñòè èõ ñìåùåíèé b (fN (x)). Äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ÿäðà K(u) òàêèå, ÷òî K(u) ∈ Aν , ν ≥ 4. Ïðèìåð 6.6.1 . ßäðî-ïëîòíîñòü Z K(u) ∈ A2 , åñëè sup K(u) < ∞, K(u) = K(−u) è u2 K(u)du < ∞. u

Ïðèìåð 6.6.2 . ßäðî K(u) ∈ A4 , åñëè K(u) =

15(3 − 10u2 + 7u4 )/25 , ïðè 0, ïðè

ßäðî K(u) ∈ A6 , åñëè 105(5 − 35u2 + 63u4 − 33u6 )/28 , K(u) = 0,

|u| ≤ 1, |u| > 1.

ïðè ïðè

|u| ≤ 1, |u| > 1.

Óêàçàííûå ÿäðà ïîëó÷àþòñÿ ñ ïîìîùüþ ðåêóððåíòíîé ïðîöåäóðû, èñïîëüçóþùåé ïîëèíîìû ßêîáè, îðòîíîðìèðîâàííûå ñ âåñîâîé ôóíêöèåé ρ(u) = {1 − u2 , |u| ≤ 1; 0, |u| > 1}: K(u) ∈ Aν , åñëè

K(u) = ρ(u)

ν−2 X

pj (0)pj (u)(2j + 3)(j + 2)/8(j + 1),

j=0

pj+2 (u) =

j + 3 2j + 5 upj+1 (u) − pj (u) , j+4 j+2

p0 (u) = p0 (0) = 1, p1 (u) = 2u, p1 (0) = 0. 81

Çàìå÷àíèå 6.6.1 . ßäðà K(u) ∈ Aν , ν ≥ 4, íå îáëàäàþò ñâîéñòâîì ïëîòíîñòè K(u) ≥ 0 è ìîãóò ïðèíèìàòü îòðèöàòåëüíûå çíà÷åíèÿ. Çàìå÷àíèå 6.6.2 . ßäðà K(u) ∈ Aν , ν ≥ 4, ïðèìåðà 4 ÿâëÿþòñÿ îïòèìàëüíûìè â êëàññå ïîëèíîìîâ ïðè íåêîòîðûõ îãðàíè÷åíèÿõ íà K(u) [20], [21].

Îïðåäåëåíèå 6.6.3 . Áóäåì ãîâîðèòü, ÷òî îöåíêà tN äëÿ t èìååò ñêîðîñòü ñõîäèìîñòè O N −α , α > 0 ( â çíàêàõ: tN ∈ V N −α ,), åñëè äëÿ ÑÊÎ u2 (tN ) ñïðàâåäëèâî ïðåäåëüíîå ñîîòíîøåíèå lim N α u2 (tN ) = C,

N →∞

0 < C < ∞.

Îïðåäåëåíèå 6.6.4 . Ïîñëåäîâàòåëüíîñòè αN è βN íàçûâàþòñÿ ýêâèâàëåíòíûìè (â çíàêàõ: αN ∼ βN ), åñëè lim |αN /βN | = 1. N →∞

Òåïåðü ïîêàæåì, êàê âîçìîæíîñòü óëó÷øåíèÿ ñêîðîñòè ñõîäèìîñòè ñìåùåíèÿ b (fN (x)) ïîçâîëÿåò ïîâûøàòü ñêîðîñòü ñõîäèìîñòè îöåíêè êðèâîé ñìåðòåé â ñìûñëå îïðåäåëåíèÿ 6.6.3.

Òåîðåìà 6.6.1 (îïòèìàëüíîå ÑÊO u2 (fN )). Ïóñòü âûïîëíåíû óñëî-

âèÿ ëåììû 6.6.4 è hN ∈ H2 . Òîãäà ïðè N → ∞ íàéäåòñÿ òàêàÿ îïòèìàëüíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü 1 2ν+1 A hN,o = argminhN >0 u2 (fN (x)) ∼ , (6.6.14) 2νB 2 N ãäå A = f (x)

Z∞

K 2 (u)du,

B=

f (ν) T ν , ν!

−∞

äëÿ êîòîðîé îïòèìàëüíîå ÑÊÎ 2ν u2 fN (x)|hN =hN,o = u2 (fN,o (x)) ∼ O n− 2ν+1 . Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Â ñèëó ëåìì 6.6.4 è 6.6.3 A 1 2 2 2ν 2ν u (fN (x)) = + B hN + o + hN . N hN N hN

(6.6.15)

(6.6.16)

Ïðîäèôôåðåíöèðîâàâ ãëàâíóþ ÷àñòü ÑÊÎ (6.6.16) ïî hN è ïðèðàâíÿâ ïîëó÷åííîå âûðàæåíèå ê íóëþ, íàõîäèì 1 2ν+1 1 A − 2ν+1 hN,o ∼ = O N . (6.6.17) 2νB 2 N 82

Ïîäñòàâëÿÿ (6.6.17) â (6.6.16), èìååì: 2ν 1 2ν+1 A 2νB 2 N 2ν+1 A 2 u (fN,o (x)) ∼ = +B N A 2νB 2 N " 2ν 2ν # 2ν+1 2ν+1 1 2 2ν A 1 = B 2ν+1 (2ν) 2ν+1 + = O N − 2ν+1 . ♠ N 2ν

2

Òàêèì îáðàçîì, èç òåîðåìû 6.6.1 ñëåäóåò, ÷òî ïðè ν → ∞ 2ν fN,o (x) ∈ V N − 2ν+1 → V N −1 .

(6.6.18)

Èç (6.6.18) âèäíî, ÷òî â ñìûñëå îïðåäåëåíèÿ 6.6.3 ñêîðîñòü ñõîäèìîñòè îïòèìàëüíîé îöåíêè êðèâîé ñìåðòåé fN,o (x) ìîæåò äîñòè÷ü ñêîðîñòè ñõîäèìîñòè ïàðàìåòðè÷åñêèõ îöåíîê, à òàêæå îöåíîê ôóíêöèé ðàñïðåäåëåíèÿ FN (x), Ff f N (x) è ôóíêöèé íàäåæíîñòè sN (x), s N (x).

6.7

Íàõîæäåíèå îïòèìàëüíûõ ïàðàìåòðîâ ðàçìûòîñòè â ÿäåðíûõ îöåíêàõ êðèâîé ñìåðòåé

Îäíîé èç îñíîâíûõ ïðîáëåì ïðè íåïàðàìåòðè÷åñêîì îöåíèâàíèè ïëîòíîñòåé ýòî íàõîæäåíèå îïòèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ hN,o (X1 , . . . , XN ) äëÿ îïðåäåëåííîãî íàáîðà X1 , . . . , XN . Òåîðåìà 6.6.1 óêàçûâàåò ïóòü ê íàõîæäåíèþ îïòèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðà hN,o àäàïòèâíîé ÿäåðíîé îöåíêè fN,o (x) = fN (x)|hN =hN,o ïëîòíîñòåé èç êëàññà, îïðåäåëåííîãî óñëîâèÿìè 1), 2) ëåììû 6.6.4. Îòìåòèì òàêæå, ÷òî ïóòåì âûáîðà ÿäðà K(u) èç êëàññà ÿäåð, óäîâëåòâîðÿþùèõ óñëîâèþ 3) ëåììû 6.6.4, ìîæíî óëó÷øèòü ñêîðîñòü ñõîäèìîñòè ÑÊÎ îöåíêè fN,o (x) (ñì. (6.6.18)). Èç (6.6.14) âèäíî, ÷òî ïîñëåäîâàòåëüíîñòü hN,o , ìèíèìèçèðóþùóþ ãëàâíûå ÷àñòè àñèìïòîòè÷åñêîãî ÑÊÎ, òðóäíî âûïèñàòü â ÿâíîì âèäå, òàê êàê îíà âûðàæàåòñÿ ÷åðåç íåèçâåñòíóþ ïëîòíîñòü f (x) è åå ïðîèçâîäíóþ ν -ãî ïîðÿäêà f (ν) (x). Â ýòîì ðàçäåëå ðàññìîòðåíû ìåòîäû àäàïòèâíîãî ÿäåðíîãî îöåíèâàíèÿ ïëîòíîñòåé, êîòîðûå äåëÿòñÿ íà äâà îñíîâíûõ òèïà. Ê ïåðâîìó òèïó îòíîñÿòñÿ ìåòîäû, ñâÿçàííûå ñ îöåíèâàíèåì ïî âûáîðêå íåèçâåñòíûõ ïàðàìåòðîâ ãëàâíîé ÷àñòè àñèìïòîòè÷åñêîãî ðàçëîæåíèÿ íåêîòîðîãî êðèòåðèÿ êà÷åñòâà (íàïðèìåð, íàõîæäåíèå hN,o ïóòåì îöåíèâàíèÿ íåèçâåñòíûõ êîíñòàíò A è B â (6.6.14)). Ìåòîäû íàõîæäåíèÿ îïòèìàëüíîãî ïàðàìåòðà ðàçìûòîñòè ïóòåì íåïîñðåäñòâåííîé ìèíèìèçàöèè íåêîòîðîãî êðèòåðèÿ (íàïðèìåð, âèäîèçìåíåííîãî êðèòåðèÿ ìàêñèìóìà ïðàâäîïîäîáèÿ, êîòîðûé ðàññìîòðèì íèæå) îòíîñÿòñÿ êî âòîðîìó òèïó. 83

Ïåðâîìó òèïó ïðèíàäëåæèò ïàðàìåòðè÷åñêèé ìåòîä, èññëåäîâàííûé â ðàáîòàõ ïëîòíîñòåé è êðèòåðèÿ  [22], [23] äëÿ îäíîìåðíûõ  Z 2 JN = E  (fN (x) − f (x)) dt. Ñîãëàñíî [18], [24], åñëè K(u) îãðàR1

íè÷åííîå ñèììåòðè÷íîå ÿäðî-ïëîòíîñòü, K(u) ∈ A2 , f (x) Z îãðàíè÷åí2 íàÿ è äâàæäû íåïðåðûâíî-äèôôåðåíöèðóåìàÿ ïëîòíîñòü è (f 00 (x)) dx < R1

∞, òî ïðè hN ∈ H2 : Z 2 Z Z 1 2 −1 JN ∼ (N hN ) K 2 (u)du + h4N u2 K(u)du (f 00 (x)) dt. 4 R1 R1 R1 (6.7.1) Èç (6.7.1) ñëåäóåò, ÷òî Z 1/5 2 hN,o = C N (f 00 (x)) dx , (6.7.2) R1

ãäå êîýôôèöèåíò C =

Z

K 2 (u)du

Z

R1

u2 K(u)du

2

çàâèñèò òîëü-

R1

êî îò âûáðàííîãî ÿäðà K(u) Z . Òàêèì îáðàçîì, íåèçâåñòíîé âåëè÷èíîé â 2 (6.7.2) ÿâëÿåòñÿ èíòåãðàë (f 00 (x)) dx, êîòîðûé, íàïðèìåð, äëÿ íîðR1 √ ìàëüíîé ïëîòíîñòè ðàâåí 3/ 8 πσ 5 . Z 2

Â ðàáîòàõ [25], [23], [30], [31], [53] èíòåãðàë

(f 00 (x)) dx îöåíèâàåò-

R1

ñÿ ñ ïîìîùüþ íåïàðàìåòðè÷åñêèõ ìåòîäîâ. Â äàííîì ñëó÷àå ïðîöåäóðà ïîñòðîåíèÿ àäàïòèâíîé ÿäåðíîé îöåíêè ñîñòîèò èç äâóõ ýòàïîâ: ñíà÷àëà Z 2

ñòðîÿòñÿ îöåíêè èíòåãðàëà

(f 00 (x)) dx, çàòåì, èñïîëüçóÿ ýòè îöåíêè

R1

â ôîðìóëå (6.7.2), îöåíèâàåòñÿ íåèçâåñòíàÿ f (x). Ïðè ïàðàìåòðè÷åñêîì ìåòîäå àäàïòèâíîãî ÿäåðíîãî îöåíèâàíèÿ íåèçáåæíî âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü âûíåñåíèÿ ïðåäïîëîæåíèÿ î ïðèíàäëåæíîñòè f (x) ê íåêîòîðîìó ïàðàìåòðè÷åñêîìó ñåìåéñòâó. Íåäîñòàòêîì äàííîãî ìåòîäà ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî, åñëè ïðåäïîëîæåíèå íåâåðíî, òî ìû ïîëó÷èì íåîïòèìàëüíóþ ïî ñêîðîñòè ñõîäèìîñòè (â ñìûñëå âûáðàííîãî êðèòåðèÿ) îöåíêó. Ïðè ïîñòðîåíèè àäàïòèâíûõ ÿäåðíûõ îöåíîê ñ ïðèâëå÷åíèåì íåïàðàìåòðè÷åñêèõ ìåòîäîâ ñíîâà âîçíèêàåò çàäà÷à íàõîæäåíèÿ ïàðàìåòðîâ íåïàðàìåòðè÷åñêèõ îöåíîê, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ àíàëîãè÷íîé ïî ñëîæíîñòè òîé, êîòîðóþ ðåøàåì. 84

Óêàçàííûõ âûøå íåäîñòàòêîâ óäàåòñÿ èçáåæàòü, åñëè âûáèðàòü ïàðàìåòð hN òàê, ÷òîáû ìàêñèìèçèðîâàòü (ìèíèìèçèðîâàòü) íåêîòîðûé ýìïèðè÷åñêèé êðèòåðèé. Äàííàÿ ïðîöåäóðà îòíîñèòñÿ êî âòîðîìó òèïó ìåòîäîâ àäàïòèâíîãî ÿäåðíîãî îöåíèâàíèÿ. Îòìåòèì êðèòåðèé, âïåðâûå ïðèìåíåííûé äëÿ ÿäåðíîé îöåíêè ïëîòíîñòè è îïèñàííûé â ðàáîòàõ [29], [52], êîòîðûé îñíîâûâàåòñÿ íà ïðèíöèïå ìàêñèìóìà ïðàâäîïîäîáèÿ (ñì. òàêæå îáçîð [27]). Ñîãëàñíî ýòèì ðàáîòàì ïàðàìåòð hN,o âûáèðàåòñÿ èç óñëîâèÿ ìàêñèìóìà ýìïèðè÷åñêîé ôóíêöèè ïðàâäîïîäîáèÿ: "N # Y hN,o = hN,o (X1 , . . . , XN ) = argmaxh>0 fN −1 (Xi ) , (6.7.3) i=1

fN −1 (Xi ) =

1 (N − 1)h

N −1 X

K

j=1,j6=i

Xi − Xj h

,

(6.7.4)

è ïîëó÷åííîå çíà÷åíèå hN,o èñïîëüçóåòñÿ ïðè ïîñòðîåíèè àäàïòèâíîé ÿäåðíîé îöåíêå fN,o (x) = fN (x)|hN =hN,o . Îöåíêè, ïîëó÷àåìûå äàííûì îáðàçîì, íàçûâàþòñÿ êðîññ-ïðîâåðî÷íûìè ÿäåðíûìè îöåíêàìè ïëîòíîñòè. Â ìîíîãðàôèè [28, ãë. 6.4] èçó÷åíû ïðîáëåìû ñîñòîÿòåëüíîñòè êðîññïðîâåðî÷íûõ îöåíîê, ñäåëàí îáçîð ðàáîò, ïîñâÿùåííûõ ìåòîäàì êðîññïðîâåðêè.

6.8

◦

◦

◦

◦

Îöåíèâàíèå ñðåäíèõ e◦ , ex , ex:ne , ex1 :x2 è äèñïåðñèé D X, D T (x)

Ñíà÷àëà ðàññìîòðèì èäåîëîãèþ ñòàòèñòè÷åñêîãî îöåíèâàíèÿ íà ïðèìåðå ïðîñòåéøåé àêòóàðíîé âåðîÿòíîñòíîé õàðàêòåðèñòèêè ñðåäíåãî ◦ âðåìåíè æèçíè e◦ . Z Z ◦

∞

∞

Òàê êàê e◦ = E X = x dF (x) = s(x) dx, òî â êà÷åñòâå îöåíîê 0 0 ïîäñòàíîâîê åñòåñòâåííî âçÿòü Z ∞ Z ∞ b b◦ b◦ e◦ = x dFN (x) èëè e◦ = sN (x) dx. 0

0

Ëåãêî óáåäèòüñÿ, ÷òî ýòè îöåíêè ñîâïàäàþò ìåæäó ñîáîé. Äåéñòâèòåëüíî, Z ∞ N N 1 X 1 X b◦ e◦ = δ(x − Xi ) dx = Xi = x, x N N 0 i=1

i=1

85

Z b b◦ e◦ =

∞

0

N N Z 1 X 1 X I(Xi > x) = N i=1 N i=1

Xi

dx = x.

Òåïåðü ìîæíî ñèíòåçèðîâàòü îöåíêè äëÿ áîëåå ñëîæíûõ àêòóàðíûõ õàðàêòåðèñòèê. Íàïðèìåð, èç ïðåäñòàâëåíèé äèñïåðñèé Z ∞ ◦ ◦ D X = E(X− ex )2 = (x− e◦ )2 dF (x), 0

DX = 2

Z

∞

◦

x s(x) dx − (e◦ )2 ,

0

ñëåäóåò, ÷òî ñîîòâåòñòâåííî

N X d = 1 (Xi − x)2 , DX N i=1

d d =2 DX

Z

∞

x

0

N 1 X I(Xi > x) dx − (x)2 = N i=1

N N 1 X 2 1 X Xi − (x)2 = (Xi − x)2 . N i=1 N i=1 Z ∞ 1 ◦ Èç ôîðìóëû ex = s(x + t) dt ïîëó÷àåì, ÷òî s(x) 0

=

b◦ ex =

1 sN (x)

Z 0

∞

N 1 X I(Xi > x + t) dt = N i=1

N Z (Xi −x)I(Xi −x>0) X 1 dt = sN (x) N i=1 0 ,N N X X = (Xi − x)I(Xi − x > 0) I(Xi − x > 0).

=

i=1

(6.8.1)

i=1

b◦ Â îáëàñòè [X(N ) , ∞) îöåíêà ex íå îïðåäåëåíà (åå çíàìåíàòåëü ïðèíèìàåò íóëåâîå çíà÷åíèå), ïîýòîìó â ðÿäå ñëó÷àåâ èìååò ñìûñë ïðèìåíÿòü âìåñòî (6.8.1) ñëåäóþùóþ óñëîæíåííóþ ìîäèôèêàöèþ: ,N N X X x − Xi ˜◦ ex = (Xi − x)I(Xi − x > 0) S . aN i=1

i=1

86

Z n 1 ◦ Ðàññóæäàÿ àíàëîãè÷íî, äëÿ ex:ne = s(x+t) dt, D T (x) è D{min(T (x), n)} s(x) 0 èìååì: Z n N 1 X 1 ◦d ex:ne = I(Xi > x + t) dt = sN (x) 0 N i=1

=

=

N X i=1

1 sN (x) N

N Z min(n,Xi −x)I(Xi −x>0) X i=1

dt =

0

,N X min(n, Xi − x)I(Xi − x > 0) I(Xi − x > 0), i=1

N X

d Dd T (x) =

(Xi − x)2 I(Xi − x > 0)

i=1

N X

S

i=1

N X

d d(x), n) = D min(T

x − Xi aN

ˆ◦ − (ex )2 ,

(min(n, Xi − x))2 I(Xi − x > 0)

i=1

N X

S

i=1

x − Xi aN

ˆ◦ − (ex )2 .

Â çàêëþ÷åíèå ðàññìîòðèì îñîáåííîñòè ïðèìåíåíèÿ ðàññìîòðåííûõ âûøå ïðèåìîâ îöåíèâàíèÿ â êîëëåêòèâíîì ñòðàõîâàíèè. Íàïðèìåð, â ◦ êà÷åñòâå îöåíêè ex1 :x2 ìîæíî âçÿòü Z ∞ 1 ◦d ˆ ex1 :x2 = P{min(X − x1 , Y − x2 ) > t} dt = sN (x1 , x2 ) 0

1 = sN (x1 , x2 ) =

=

Z 0

∞

N 1 X I{min(Xi − x1 , Yi − x2 ) > t} dt = N i=1

N Z min(Xi −x1 ,Yi −x2 ) X 1 dt = sN (x1 , x2 ) N i=1 0

N X 1 min(Xi − x1 , Yi − x2 )I{min(Xi − x1 , Yi − x2 ) > 0}, sN (x1 , x2 ) N i=1

87

N

1 X I{Xi − x1 > 0} I{Yi − x2 > 0). Çàìåòèì, ÷òî N i=1 ïðèâåäåííàÿ ôîðìóëà èìååò ñìûñë è â ñëó÷àå, êîãäà ñëó÷àéíûå âåëè÷èíû X è Y ñòàòèñòè÷åñêè ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé. Î÷åâèäíî, ÷òî òàêóþ çàâèñèìîñòü íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü, íàïðèìåð, ïðè ñòðàõîâàíèè ðîäñòâåííèêîâ, ðàáîòíèêîâ ñ îäíîãî ïðåäïðèÿòèÿ è ò.ï. ãäå sN (x1 , x2 ) =

6.9

Àñèìïòîòè÷åñêàÿ íîðìàëüíîñòü îöåíêè ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè

Òàê êàê ïàðàìåòðû ïðåäåëüíûõ ðàñïðåäåëåíèé îöåíîê ôóíêöèé èíòåíñèâíîñòè âûðàæàþòñÿ ÷åðåç êîâàðèàöèè îöåíîê ôóíêöèé íàäåæíîñòè è ïëîòíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ, òî â ýòîì ïóíêòå íàéäåì ïðåäåëüíûå êîâàðèàöèîííûå ìàòðèöû ýòèõ îöåíîê. Îáîçíà÷èì: bN = (b1N , . . . , bsN ) âåêòîð îöåíîê, # " cov(b1N , b1N ) . . . cov(b1N , bsN ) ... ... ... C(bn ) = . cov(bsN , b1N ) . . . cov(bsN , bsN ) Íàéäåì ïðåäåëüíóþ êîâàðèàöèîííóþ ìàòðèöó îöåíîê ïëîòíîñòè è ôóíêöèè íàäåæíîñòè.

Ëåììà 6.9.1 (êîâàðèàöèîííàÿ ìàòðèöà îöåíîê fN , sf N ). Åñëè f (x) ∈

N0,1 (R) ,

sup f (x) < ∞, ÿäðî K(u) ∈ A, âûïîëíåíû óñëîâèÿ ëåììû

x∈R1+

6.3.1 è hN ∈ H2 , òî

lim N hN C (fN (x), sf N (x)) = f (x)

" R

N →∞

K 2 (u)du

0

R1

0

0

#

(6.9.1)

=σ ¯λ .

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ñîãëàñíî (6.4.1) è (6.6.8)

cov (sf f f N (x), s N (x)) = Ds N (x) =

1 s(x) (1 − s(x)) + o N

f (x) cov (fN (x), fN (x)) = DfN (x) = N hN ñëåäîâàòåëüíî

Z∞

2

K (u)du + o

−∞

lim nhN cov (fN (x), fN (x)) = f (x)

N →∞

Z∞

−∞

88

1 N

1 N hN

K 2 (u)du,

,

,

lim N hN cov (sf f N (x), s N (x)) = lim hN s(x) (1 − s(x)) = 0.

N →∞

N →∞

Äàëåå,

∞ Z x−y x−y 1  cov (fN (x), sf K S f (y)dy− N (x)) = N hN hN aN 0

Z∞

−

K

x−y hN

 Z∞ x−y f (y)dy S f (y)dy  . aN

0

0

Òàê êàê S(·) îãðàíè÷åííàÿ ôóíêöèÿ, òî òàêèì îáðàçîì,

1 I1 = N hN

Z∞

K

x−y hN

S

x−y aN

sup S(x) ≤ C < ∞ è,

x∈R1+

f (y)dy ≤

0

1 ≤C N hN

Z∞

K

x−y hN

f (y)dy.

0

Ñîãëàñíî (6.6.3), èìååì ïðè N → ∞: I1 = O N −1 . Äàëåå, ó÷èòûâàÿ (6.6.3) è (6.3.2), ïîëó÷àåì ïðè N → ∞: 1 N hN

Z∞ 0

K

x−y hN

f (y)dy

Z∞ x−y S f (y)dy = O(N −1 ), aN 0

−1 cov (fN (x), sf f . N (x)) = cov (s N (x), fN (x)) = O N

(6.9.2)

Ëåììà 6.9.1 äîêàçàíà. Âûáèðàÿ â êà÷åñòâå îöåíêè ôóíêöèè íàäåæíîñòè îöåíêó sf N (x) (6.3.1), à â êà÷åñòâå îöåíêè ïëîòíîñòè ÿäåðíóþ îöåíêó fN (x) (6.6.2), ïîñòðîèì îöåíêó ïîäñòàíîâêè ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè

λN (x) =

fN (x) . sf N (x)

(6.9.3)

Îöåíêà (6.9.3) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñëó÷àéíóþ äðîáü. Î÷åâèäíî, ÷òî èññëåäîâàòü ñâîéñòâà îöåíêè λN (x) òðóäíåå, ÷åì îöåíîê ÷èñëèòåëÿ è 89

çíàìåíàòåëÿ. Â ñâÿçè ñ ýòèì, ïðè íàõîæäåíèè ïðåäåëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ îöåíêè λN (x) áóäåì èñïîëüçîâàòü òåîðåìó 2.1.1 èç [32, c. 20], êîòîðàÿ ïðèâåäåíà â ïðèëîæåíèè 4 êàê òåîðåìà 3Ï. ×òîáû ïðèìåíèòü òåîðåìó 3Ï, íàéäåì ïðåäåëüíîå ðàñïðåäåëåíèå äâóìåðíîãî ñëó÷àéíîãî âåêòîðà p N hN (fN (x) − f (x), sf N (x) − s(x)) .

Äëÿ íàõîæäåíèÿ ïðåäåëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ äâóìåðíîãî ñëó÷àéíîãî âåêòîðà íàì ïîòðåáóåòñÿ öåíòðàëüíàÿ ïðåäåëüíàÿ òåîðåìà â ñõåìå ñåðèé, êîòîðàÿ ñôîðìóëèðîâàíà äëÿ äâóìåðíîãî ñëó÷àÿ è ïðèâåäåíà â ïðèëîæåíèè 4. N Ââåäåì îáîçíà÷åíèÿ: {ξj,N , ηj,N }j=1 , N = 1, 2, . . . ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íåçàâèñèìûõ îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûõ äâóìåðíûõ âåêòîðîâ â T ñõåìå ñåðèé (ðàñïðåäåëåíèå (ξj,N , ηj,N ) çàâèñèòpîò N ); σN = N E (ξ1,N , η1,N ) (ξ1,N , η1,N ) , çäåñü T çíàê òðàíñïîíèðîâàíèÿ; k(ξ, η)k = ξ 2 + η 2 .

Òåîðåìà 6.9.1 . Ïóñòü 1) ïëîòíîñòü f (z) ∈ Nν,1 (R) ;

2) sup f (m) (x) < ∞, m = 0, ν; 3) ÿäðî K(u) ∈ Aν ; x∈R1 4) 1 − K(x) = o x−ν ïðè x → ∞; 5) âûïîëíåíû óñëîâèÿ ëåììû 6.3.3; p 6) hN ∈ H2 , lim N hN (aN + hνN ) = 0. Òîãäà âåêòîð N →∞ p N hN (fN (x) − f (x), sf N (x) − s(x)) èìååò äâóìåðíîå ïðåäåëüíîå íîðìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå N2 {(0, 0), σ ¯λ } , ãäå σ ¯λ ïðåäåëüíàÿ êîâàðèàöèîííàÿ ìàòðèöà, îïðåäåëåííàÿ â (6.9.1). Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ïðåäñòàâèì p N hN (fN (x) − f (x), sf N (x) − s(x)) = p = N hN (fN (x) − EfN (x), sf f N (x) − Es N (x)) + p + N hN (b (fN (x)) , b (sf N (x))) .

(6.9.4)

Âòîðîå ñëàãàåìîå â ïðàâîé ÷àñòè (6.9.4) ñõîäèòñÿ ïðè N → ∞ ê íóëåâîìó âåêòîðó: p p N hN (b (fN (x)) , b (sf N hN (O (hνN ) , O (aN )) = N (x))) = q p 2ν+1 = O N hN ,O N hN aN −→ (0, 0).

90

Ïîêàæåì, ÷òî äëÿ ïåðâîãî ñëàãàåìîãî â ïðàâîé ÷àñòè (6.9.4) âûïîëíÿþòñÿ âñå óñëîâèÿ äâóìåðíîé öåíòðàëüíîé ïðåäåëüíîé òåîðåìû â ñõåìå ñåðèé (ñì. ïðèëîæåíèå 4, òåîðåìà 6Ï). Ïóñòü 1 x − Xj ξj,N = √ − hN EfN (x) , K hN N hN √ hN x − Xj x − Xj ηj,N = √ S − ES . aN aN N Òàêèì îáðàçîì

fN (x) − EfN (x) = √

N N X X 1 1 ξj,N , sf f ηj,N . N (x) − Es N (x) = √ N hN j=1 N hN j=1

Î÷åâèäíî, ÷òî E (ξj,N , ηj,N ) = (0, 0). Ïðîâåðèì âûïîëíåíèå óñëîâèÿ 2) òåîðåìû 6Ï. Äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìî ïîêàçàòü, ÷òî 1 x − Xj hN x − Xj 2 E kξj,N , ηj,N k = DK + DS < ∞. N hN hN N aN Ó÷èòûâàÿ ðåçóëüòàòû ëåìì î äèñïåðñèÿõ îöåíîê sf N (x) è fN (x) (6.4.1), (6.6.8), ïîëó÷àåì:

1 E kξj,N , ηj,N k ≤ C1 N 2

Z∞

K 2 (u)du +

hN C2 < ∞, N

−∞

çäåñü 0 ≤ C1 , C2 < ∞ íåêîòîðûå êîíñòàíòû. T Ïî ëåììe 6.9.1 lim N E (ξ1,N , η1,N ) (ξ1,N , η1,N ) = σ ¯λ . N →∞

Ïðîâåðèì âûïîëíåíèå óñëîâèÿ Ëèíäåáåðãà, êîòîðîå ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íûì óñëîâèåì ïðèìåíèìîñòè öåíòðàëüíîé ïðåäåëüíîé òåîðåìû â ñõåìå ñåðèé. Äëÿ ëþáîãî τ > 0 èìååì N 2 3 βN = N E kξ1,N , η1,N k ; kξ1,N , η1,N k > τ < E kξ1,N , η1,N k = τ i 3/2 N CN h 3 3 2 2 = E ξ1,N + η1,N ≤ E |ξ1,N | + E |η1,N | = τ τ " 3 CN x − X1 x − X1 = E K − EK + 3/2 hN hN (N hN ) 91

3 # x − X1 x − X1 − ES ≤ hN hN " ( ) 3 1 C x − X 1 3 3 + hN E fN (x) + ≤ E K 1/2 h hN N (N hN ) ( 3 )# x − X x − X 1 1 3 2 +E S +hN E S . hN hN +h3N E S

Äàëåå, òàê êàê ÿäðà K(·), S(·) îãðàíè÷åíû íà R1 , òî 1 βN = O √ −→ 0 N hN

ïðè N → ∞, ò.å. óñëîâèå Ëèíäåáåðãà âûïîëíÿåòñÿ, ñëåäîâàòåëüíî, ïî òåîðåìå 6Ï ïîëó÷àåì òðåáóåìûé ðåçóëüòàò. Òåîðåìà 6.9.1 äîêàçàíà. Ââåäåì îáîçíà÷åíèÿ: xN = (xN 1 , . . . , xN s ) âåêòîðíàÿ ñòàòèñòèêà ñ êîìïîíåíòàìè xN j = xN j (x) = xN j (t; X1 , . . . , XN ), j = 1, s; ôóíêöèÿ H(z) : Rs → R1 ; H (1) (z) = ∇H(z) = (H1 (z), . . . , Hs (z)) , Hj (z) = ∂H(z)/∂zj ; dN ïîëîæèòåëüíàÿ ÷èñëîâàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü, íåîãðàíè÷åííî âîçðàñòàþùàÿ ñ ðîñòîì N ; φ = φ(x) = (φ1 (x), . . . , φs (x)) îãðàíè÷åííàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ, êîòîðàÿ, íàïðèìåð, ìîæåò áûòü ìàòåìàòè÷åñêèì îæèäàíèåì ñòàòèñòèêè xN . Òåïåðü, ñîãëàñíî òåîðåìàì 6.9.1 è 3Ï ìîæíî íàéòè ïðåäåëüíîå ðàñïðåäåëåíèå îöåíêè ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè.

Òåîðåìà 6.9.2 (àñèìïòîòè÷åñêàÿ íîðìàëüíîñòü λN ). Åñëè âûïîëíåíû óñëîâèÿ òåîðåìû 6.9.1 è λ(x), s(x) 6= 0, òî   R λ(x) K 2 (u)du     p R1 N hN (λN (x) − λ(x)) =⇒ N1 0, . (6.9.5)   s(x)   Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Â îáîçíà÷åíèÿõ òåîðåìû 3Ï (ñì. ïðèëîæåíèå 4) èìååì: √ xN 1 fN dN = N hN , λN = H(xN ) = H (xN 1 , xN 2 ) = = , xN 2 sf N 92

φ1 f λ = H(φ) = H (φ1 , φ2 ) = = , s φ2 φ1 1 f 1 (1) H (φ) = , − 2 = , − 2 , µ1 = µ2 = 0, σ = σ ¯λ φ2 φ2 s s (ìàòðèöà σ ¯λ îïðåäåëåíà â (6.9.1)). (1) Ïîñëå ïîäñòàíîâêè íàéäåííûõ âåëè÷èí Hj (φ), µj è σjp â (Ï.1) (ñì. ïðèëîæåíèå 4) ïðèõîäèì ê óòâåðæäåíèþ òåîðåìû. Òåîðåìà 6.9.2 äîêàçàíà.

Çàìå÷àíèå 6.9.1 Ïî àíàëîãèè ñ òåîðåìîé 6.9.2 â ðàáîòå [33] ïîêàçàíà àñèìïòîòè÷åñêàÿ íîðìàëüíîñòü íåïàðàìåòðè÷åñêèõ îöåíîê ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè âèäà: λN,2 (x) = fN (x)/ (1 − FN,2 (x)) , ãäå fN (x) = fN (x, hN ) (îöåíêà ïëîòíîñòè fN (x) îïðåäåëåíà ñîãëàñíî (6.6.2) äàííîé Zx ðàáîòû ), FN,2 (x) = fN (t, aN )dt. 0

6.10

Èíòåðâàëüíîå îöåíèâàíèå ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè

Ðåçóëüòàò òåîðåìû 6.9.2 ïîçâîëÿåò íàéòè ïðåîáðàçîâàíèå îöåíêè ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè λN (x), êîòîðîå èìååò ïðåäåëüíîå ñòàíäàðòíîå íîðìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå. Íàì ïîòðåáóåòñÿ ñëåäóþùåå ïðîñòîå îáîáùåíèå ðåçóëüòàòà èç [34], êîòîðîå ïðèâåäåíî â ïðèëîæåíèè 4 â âèäå òåîðåìû 4Ï. Â òåîðåìå 4Ï ïîêàçàíî, ÷òî, åñëè {TN , N = 1, 2, . . .} ïîñëåäîâà √ òåëüíîñòü ñòàòèñòèê òàêàÿ, ÷òî qN [TN − θ] =⇒ N1 0, σ 2 (θ) , ÷èñëîâàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü qN ↑ ∞, òî n o √ 2 qN [g (TN ) − g(θ)] =⇒ N1 0, [g 0 (θ)σ(θ)] , (6.10.1) ãäå g ôóíêöèÿ, èìåþùàÿ ïåðâóþ ïðîèçâîäíóþ è g 0 (θ) 6= 0. Ñîãëàñíî [34, ñòð. 377], ôóíêöèþ g ñëåäóåò âûáèðàòü òàê, ÷òîáû

g 0 (θ)σ(θ) = c,

(6.10.2)

ãäå c íå çàâèñèò îò θ. Â ýòîì ñëó÷àå àñèìïòîòè÷åñêàÿ äèñïåðñèÿ ñòàòèñòèêè g(TN ) íå áóäåò çàâèñåòü îò θ. Z cdθ Ôóíêöèþ g íàéäåì èç óðàâíåíèÿ g = . Â íàøåì ñëó÷àå, ó÷èσ(θ)

93

òûâàÿ (6.9.5), èìååì p Z Z Z s(x)dλ(x) cdθ cdλ(x) qR p g= = = . p σ(θ) λ(x) λ(x) R1 K 2 (u)du

(6.10.3)

√ Èç (6.10.3) ñëåäóåò, ÷òî g(x) = x. Íàéäåì ïðåîáðàçîâàíèå îöåíêè ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè, èìåþùåå ïðåäåëüíîå ñòàíäàðòíîå íîðìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå.

Òåîðåìà 6.10.1 . Â óñëîâèÿõ òåîðåìû 6.9.2

p √ i p 2 N hN s(x) hp s λN (x) − λ(x) =⇒ N1 {0, 1} . R∞ K 2 (u)du

(6.10.4)

−∞

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Â îáîçíà÷åíèÿõ òåîðåìû 4Ï, ïîëàãàÿ: √ qN = N hN , TN = λN , θ = λ g(λ) = λ

s g 0 (λN )σ(λN ) =

R∞

K 2 (u)du

−∞

p 2 s(x)

,

ïîëó÷àåì óòâåðæäåíèå 6.10.4. Òåîðåìà 6.10.1 äîêàçàíà. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî |b (sf = O(aN ) (ñì. ëåììó 6.3.3) N (x))| è p −1/2 , lim aN N hN = 0 (óñëîâèå 6) òåîðåìû 6.9.1), âçÿâ aN = o n N →∞ p p â ôîðìóëå (6.10.4) ïðàâîìåðíî çàìåíèòü s(x) íà sf N (x). Òàêèì îáðàçîì, ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèé òåîðåìû 6.9.2 p √ i hp p 2 N hN sf N (x) s λN (x) − λ(x) =⇒ N1 {0, 1} . (6.10.5) R∞ 2 K (u)du −∞

Íà îñíîâå óòâåðæäåíèÿ (6.10.5) ìîæíî ïîñòðîèòü èíòåðâàëüíóþ îöåíêó çàäàííîé íàäåæíîñòè (1 − α) äëÿ ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè λ(x): p √ p p 2 N hN sf N (x) s (6.10.6) λN (x) − λ(x) < U1−α/2 , R∞ K 2 (u)du −∞

94

ãäå U1−α/2 êâàíòèëü óðîâíÿ 1 − α2 ñòàíäàðòíîãî íîðìàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ. Òàêèì îáðàçîì

s



R∞

K 2 (u)du

2

   p −∞  λN (x) − √ p U1−α/2    < λ(x) < 2 N hN sf N (x)   

s

R∞

2

K 2 (u)du    p −∞  p 0, ρ > 0, ρτ ≥ 1, δ > 0. Â äàííîé ðàáîòå ðàññìîòðèì êóñî÷íî-ãëàäêèå àïïðîêñèìàöèè (6.11.1) ν Ââåäåì îáîçíà÷åíèÿ: Mν kyN k = E kyN − φk ìîìåíò ïîðÿäêà ν íîðìû îòêëîíåíèÿ îöåíêè yN (x) îò ôóíêöèè φ(x) â òî÷êå x. Ââåäåì äëÿ òðîéêè (τ, k, m), ãäå k, m íàòóðàëüíûå ÷èñëà, ìíîæåñòâî T (m) = {(τ, k) : τ ≥ τ (m) = 2k/(m − k − 1) > 0, m ≥ m0 = [3, k = 1; 2k, k ≥ 2]}. 95

(r) Äëÿ íàõîæäåíèÿ ÑÊÎ îöåíîê Ψ λN , δr ïîòðåáóåòñÿ ñëåäñòâèå 4

èç [43], êîòîðîå ïðèâåäåíî â ïðèëîæåíèè 4 â âèäå òåîðåìû 5Ï. ×òîáû èñïîëüçîâàòü ôîðìóëó (Ï.2) ïðèëîæåíèÿ 4 äëÿ îïðåäåëåíèÿ e ãëàâíûõ ÷àñòåé ÑÊÎ êóñî÷íî-ãëàäêèõ àïïðîêñèìàöèé Ψ(x, δ), íåîáõîäèìî, ñîãëàñíî óñëîâèþ 2) òåîðåìû 5Ï, çíàòü ïîðÿäîê ñõîäèìîñòè ê íóëþ ÷åòâåðòîãî ìîìåíòà îòêëîíåíèÿ îöåíîê sf N (x), fN (x). Ýòè ðåçóëüòàòû ïðèâîäÿòñÿ íèæå â âèäå ëåìì 6.11.1 è 6.11.2. Ëåììà 6.11.1 . Åñëè âûïîëíåíû óñëîâèÿ ëåììû 6.3.3 è aN = o N −1/2 ,

òî ïðè N → ∞ 4 −2 M4 ksf f . N (x)k = E (s N (x) − s(x)) = O N

(6.11.2)

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ïðåäñòàâèì 4

4

E (sf f f f N (x) − s(x)) = E [(s N (x) − Es N (x)) + b (s N (x))] .

Ïðèâëåêàÿ ïðè p = 4 è m = 2 íåðàâåíñòâî !p m m X X |ai | ≤ mp−1 |ai |p , i=1

p > 1,

i=1

èìååì

h i4 4 4 3 4 E (sf (x) − s(x)) ≤ 2 . E ( s f (x) − E s f (x)) + b ( s f (x)) N N N N

4 −2 Ñîãëàñíî ëåììå 6.3.3 b (sf f . N (x)) = O (aN ), çíà÷èò b (s N (x)) = o N 4 −2 f =O N , ñëåäîâàòåëüíî Ñîãëàñíî [44] E Ff N (x) − EFN (x) 4 −2 E (sf f , îòñþäà íåìåäëåííî ñëåäóåò ñïðàâåäN (x) − Es N (x)) = O N ëèâîñòü ñîîòíîøåíèÿ (6.11.2). Ëåììà 6.11.1 äîêàçàíà. Íàéäåì ïîðÿäîê ñõîäèìîñòè ÷åòâåðòîãî ìîìåíòà îòêëîíåíèÿ îöåíîê fN (x) îò èñòèííîé êðèâîé ñìåðòåé f (x).

Ëåììà 6.11.2 . Ïóñòü âûïîëíÿþòñÿ óñëîâèÿ :

1) f (x) ∈ N2,1 (R);

3) ÿäðî K(u) ∈ A2 ;

2) sup f (m) (x) < ∞, m = 0, 2; 1

x∈R 4) ïðè x → ∞ : 1 − K(x) = o x−2 ;

96

1 = 0; N →∞ N hN Òîãäà ïðè N → ∞

5) lim

hN +

4

M4 kfN (x)k = E (fN (x) − f (x)) = O

1 + h4N N hN

2 !

.

(6.11.3)

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ðàññóæäàÿ, êàê ïðè äîêàçàòåëüñòâå ëåì4 ìû 6.11.1, è ó÷èòûâàÿ, ÷òî â ñèëó ëåììû 2.3.3 [32] E (fN (x) − f (x)) = −2 O (N hN ) , ñîãëàñíî ëåììå 6.6.4 ïðè ν = 2 : b (fN (x)) = O h2N , ïîëó÷àåì âûðàæåíèå (6.11.3). Ëåììà 6.11.2 äîêàçàíà. Òåïåðü, èñïîëüçóÿ òåîðåìó 5Ï ïðèëîæåíèÿ 4, íàéäåì ÑÊÎ êóñî÷íîãëàäêèõ àïïðîêñèìàöèé Ψ (λN , δ).

Òåîðåìà 6.11.1 . Ïóñòü âûïîëíåíû ñëåäóþùèå óñëîâèÿ: 1) λ(x) 6=

0, s(x) 6= 0; 2) âûïîëíåíû óñëîâèÿ ëåìì 6.11.1 è 6.11.2; 3) δ =

Òîãäà äëÿ ëþáûõ (τ, 2) ∈ T (m) ïðè N → ∞: Z∞ λ(x) 2 2 E [Ψ (λN , δ) − λ(x)] − (K(u)) du− s(x)N h N

1 + h4N N hN

−∞

−

T22 h4N 4

2 ! 3/2 ! f (2) (x) 1 + h4N . =O s2 (x) N hN

(6.11.4)

Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î. Ïîêàæåì ñïðàâåäëèâîñòü ñîîòíîøåíèÿ (6.11.4). Â îáîçíà÷åíèÿõ òåîðåìû 5Ï (ñì. ïðèëîæåíèå 4) èìååì: s = 2, z = (z1 , z2 ) , H(z) = z1 /z2 , yN = (y1N , y2N ) = (fN , sf N) , φ = (φ1 , φ2 ) = (f (x), s(x)) , dN = O N hN + h−4 N , k = 2. Âîçüìåì m = m0 = −2 4 è ïîêàæåì, ÷òî M4 kfN , sf N k = O dN . Ýòî ñðàçó ñëåäóåò èç ñîîòíîøåíèÿ (6.11.2), ñîîòíîøåíèÿ (6.11.3) è íåðàâåíñòâà M4 kfN , sf Nk ≤ 2 [M4 kfN k + M4 ksf N k]. Äàëåå, òàê êàê s(x) 6= 0, à ïðè z2 6= 0 ôóíêöèÿ

z1 /z2 ∈ N2,2 (f (x), s(x)) , òî âñå óñëîâèÿ òåîðåìû 5Ï âûïîëíåíû äëÿ Ψ (λN , δ) = Ψ (λN , δ) ïðè τ ≥ τ0 = 4. Òåîðåìà 6.11.1 äîêàçàíà. 97

.

6.12


Äîêàæèòå ñâîéñòâà 1)6) èç ï.6.1 äëÿ îöåíêè âåðîÿòíîñòè PN (A).


Ñôîðìóëèðóéòå ãèïîòåçó î ìåòîäå ïîëó÷åíèÿ àïïðîêñèìàöèè âåðîÿòíîñòè qx â òàáëèöå ñìåðòíîñòè èç Ïðèëîæåíèÿ 1. Äàéòå îáîñíîâàíèå Âàøèõ ïðåäïîëîæåíèé. Ïðèâåäèòå ïðèìåð ñìåùåííîé îöåíêè âåðîÿòíîñòè ñ ìåíüøåé ñðåäíåêâàäðàòè÷åñêîé îøèáêîé, ÷åì äèñïåðñèÿ íåñìåùåííîé îöåíêè.


Îïèøèòå îðãàíèçàöèþ îäíîðîäíîé ñåðèè îïûòîâ äëÿ ïîëó÷åíèÿ îöåíîê âåðîÿòíîñòåé t qx , t px ,px , t|u qx , t| qx .


Ïî 5 ÷èñëàì, âçÿòûì èç òàáëèöû ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííûõ ñëó÷àéíûõ ÷èñåë [41, ñ. 426], ïîñòðîéòå ýìïèðè÷åñêèå ôóíêöèþ ðàñïðåäåëåíèÿ è ôóíêöèþ âûæèâàíèÿ. Ñðàâíèòå ñ òåîðåòè÷åñêèìè êðèâûìè. Â êà÷åñòâå 5 ÷èñåë ìîæåòå âçÿòü 10, 9, 73, 25, 33.


Â óñëîâèÿõ Çàäàíèÿ 6.11.4 ïîñòðîéòå ãëàäêèå ýìïèðè÷åñêèå ôóíêöèþ ðàñïðåäåëåíèÿ è ôóíêöèþ âûæèâàíèÿ. Â êà÷åñòâå áàçîâûõ ôóíêöèé ðàñïðåäåëåíèÿ F(u) (ÿäåð) ìîæíî âçÿòü: ðàâíîìåðíàÿ ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ  0, u ≤ − 12 ,  1 + u, − 12 < u ≤ 12 , F(u) =  2 1, u > 21 ; ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ Êîøè

1 1 + arctg u, −∞ < u < ∞; 2 π ëîãèñòè÷åñêàÿ ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ F(u) =

F(u) =

1 , −∞ < u < ∞; 1 + e−u

ãèïåðáîëè÷åñêèé êîñèíóñ

F(u) = 1 −

2 arctg e−u , −∞ < u < ∞; π 98

äâîéíîé ïîêàçàòåëüíûé çàêîí

F(u) = e−e

−u

, −∞ < u < ∞;


Ñèíòåçèðóéòå íàèëó÷øèå ñìåùåííûå îöåíêè ôóíêöèé ðàñïðåäåëåíèÿ è âûæèâàíèÿ â òî÷êå x.


Íà îñíîâå ãëàäêîé ýìïèðè÷åñêîé ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ ñ ÿäðàìè Çàäàíèÿ 6.11.5 ïî âûáîðêå Çàäàíèÿ 6.11.4 ïîñòðîéòå ÿäåðíûå îöåíêè ïëîòíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ. Âû÷èñëèòå çíà÷åíèÿ îöåíêè ïëîòíîñòè è åå äèñïåðñèþ â òî÷êàõ 0, 50, 100.


Â óñëîâèÿõ Çàäàíèÿ 6.11.7 ïîñòðîéòå àëãîðèòì íàõîæäåíèÿ ýìïèðè÷åñêîãî ïàðàìåòðà ðàçìûòîñòè ìåòîäîì ìàêñèìóìà ïðàâäîïîäîáèÿ.

99

Ëèòåðàòóðà [1] Bowers N.L., Gerber H.U., Hickman J.C., Jones D.A., Nesbitt C.J. Actuarial Mathematics. Itasca, Illinois: The Society of Actuaries, 1986, 624 p. [2] Ôàëèí Ã.È., Ôàëèí À.È. Ââåäåíèå â àêòóàðíóþ ìàòåìàòèêó. Ì.: Èçä-âî ÌÃÓ, 1994, 86 ñ. [3] Ôàëèí Ã.È. Ìàòåìàòè÷åñêèé àíàëèç ðèñêîâ â ñòðàõîâàíèè. Ì.: Ðîññèéñêèé þðèäè÷åñêèé èçäàòåëüñêèé äîì, 1994, 130 ñ. [4] Ãåðáåð Õ. Ìàòåìàòèêà ñòðàõîâàíèÿ æèçíè. Ì., Ìèð, 1995, 154 ñ. [5] ×åòûðêèí Å.Ì. Ïåíñèîííûå ôîíäû. Çàðóáåæíûé îïûò äëÿ îòå÷åñòâåííûõ ïðåäïðèÿòèé, àêòóàðíûå ðàñ÷åòû. Ì.: ÀÎ "ÀÐÃÎ", 1993, 100 ñ. [6] Øòðàóá Ý. Àêòóàðíàÿ ìàòåìàòèêà èìóùåñòâåííîãî ñòðàõîâàíèÿ. Ì., Ìèð, 1988, 146 ñ. [7] Êîëåìàåâ Â.À., Êàëèíèíà Â.Í. Òåîðèÿ âåðîÿòíîñòåé è ìàòåìàòè÷åñêàÿ ñòàòèñòèêà. Ì.: Èíôðà-Ì, 1997, 302 ñ. [8] Áîðîâêîâ À.À. Òåîðèÿ âåðîÿòíîñòåé. Ì.: Íàóêà, 1986, 432 ñ. [9] Áîðîâêîâ À.À. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ñòàòèñòèêà. Îöåíêà ïàðàìåòðîâ. Ïðîâåðêà ãèïîòåç. Ì.: Íàóêà, 1984, 472 ñ. [10] Áîðîâêîâ À.À. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ñòàòèñòèêà. Íîâîñèáèðñê: Íàóêà; Èçä-âî Èíñòèòóòà ìàòåìàòèêè. 1997, 772 ñ. [11] Âèëåíêèí Ñ.ß. Ñòàòèñòè÷åñêàÿ îáðàáîòêà ðåçóëüòàòîâ èññëåäîâàíèÿ ñëó÷àéíûõ ôóíêöèé. Ì.: Ýíåðãèÿ, 1979. 320 ñ.

100

[12] Áàðëîó Ð., Ïðîøàí Ô. Ñòàòèñòè÷åñêàÿ òåîðèÿ íàäåæíîñòè è èñïûòàíèÿ íà áåçîòêàçíîñòü. Ì.: Íàóêà. Ãë. ðåä. ôèç.-ìàò. ëèò. 1984. 328 ñ. [13] Solovyev A.D. Theory of aging elements// Proc. of the 6 Berkeley Symp. on Math. Stat. and Probability. 1965. V.3. [14] Ïîëëÿê Þ.Ã. Î ïîãðåøíîñòÿõ ïðîãíîçà íàäåæíîñòè, îáóñëîâëåííûõ ñòàòèñòè÷åñêîé çàâèñèìîñòüþ ìåæäó îòêàçàìè ýëåìåíòîâ. Ýëåêòðîñâÿçü. 1963. 4. [15] Ñìîëèöêèé Õ.Ë., ×óêðååâ Ï.À. Ê âîïðîñó îá îïòèìàëüíîì ðåçåðâèðîâàíèè àïïàðàòóðû. Èçâ. ÀÍ ÑÑÑÐ, Ñåð. "Òåõ. êèáåðíåòèêà". 1965. 4. [16] Òàðàñåíêî Ô.Ï. Íåïàðàìåòðè÷åñêàÿ ñòàòèñòèêà // Òîìñê: Èçä-âî Òîì. óí-òà, 1976. 292 ñ. [17] Íàäàðàÿ Ý.À. Íåêîòîðûå íîâûå îöåíêè ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ// Òåîðèÿ âåðîÿòíîñòåé è åå ïðèìåíåíèÿ. 1964. Ò. IX, âûï. 3. Ñ. 550-554. [18] Rosenblatt M. Remarks on some nonparametric estimates of a density function // Ann. Math. Statist. 1956. V.27. ò 3. P.832835. [19] Parzen E. On estimation of a probability density function and mode // Ann. Math. Statist. 1962. V.33. ò 3. P.10651076. [20] Gasser T., M uller H.-G. Kernel estimation of regression functions // Lect. Notes Math. 1979. V.757. P.2368. [21] M uller H.G., Gasser T. Optimal convergence properties of kernel estimates of derivatives of a density function// Lect. Notes Math. 1979. V. 757. P. 144-154. [22] Deheuvels P. Estimation non parametrique de la densite par histogrammes generalises// Revue de Statistique Appliguee. 1977. V. 25. P. 5-42. [23] Deheuvels P., Hominal P. Estimation automatique de la densite// Revue de Statistique Appliguee. 1980. V. 28. P. 25-55. [24] Rosenblatt M. Curve estimates// Ann. Math. Statist. 1971. V. 42. P.1815-1842.

101

[25] Íàäàðàÿ Ý.À. Îá èíòåãðàëüíîé ñðåäíåêâàäðàòè÷íîé îøèáêå íåêîòîðûõ íåïàðàìåòðè÷åñêèõ îöåíîê ïëîòíîñòè âåðîÿòíîñòåé// Òåîðèÿ âåðîÿòíîñòåé è åå ïðèìåíåíèÿ. 1974. Ò. 19, 1. Ñ. 131-140. [26] Habbema J.D.F., Hermans J., Vandenbroek K. A stepwise disriminant analysis program using density estimation in COMPSTAT 1974. Wien. Physica Verlag. 1974. P. 101-110. [27] Rudemo M. Empirical choice of histogram and kernel density estimators// Scandinavian Journal of Statistics. 1982. V. 9. P. 65-78. [28] Äåâðîé Ë., Äü¼ðôè Ç. Íåïàðàìåòðè÷åñêîå îöåíèâàíèå ïëîòíîñòè. L1 -ïîäõîä. Ì.: Ìèð. 1988. 408 ñ. [29] Duin R.P.W. On the choice of smoothing parameters for Parzen estimators of propability density functions. IEEE Transactions on Computers. 1976. C25. P. 1175-1179. [30] Scott D.W., Factor L.E. Monte-Carlo study of three databased nonparametric probability density estimators. Journal of the American Statistical Association. 1981. V. 76. P. 9-15. [31] Scott D.W., Tapia R.A., Thompson J.R. Kernel density estimation revisited. Journal of Nonlinear Analysis, Theory, Methods and Applications. 1977. V. 1. P. 339-372. [32] Äîáðîâèäîâ À.Â., Êîøêèí Ã.Ì. Íåïàðàìåòðè÷åñêîå îöåíèâàíèå ñèãíàëîâ. Ì.: Íàóêà. Ôèçìàòëèò. 1997. 336 c. [33] Âààëü Â.À., Êèòàåâà À.Â., Êîøêèí Ã.Ì. Äîâåðèòåëüíîå íåïàðàìåòðè÷åñêîå îöåíèâàíèå ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè// Ìåæä. êîíô. "Âñåñèáèðñêèå ÷òåíèÿ ïî ìàòåìàòèêå è ìåõàíèêå". Òåçèñû äîêë. Òîìñê: Èçä-âî ÒÃÓ. 1997. Ò.1. Ñ.120. [34] Ðàî Ñ. Ëèíåéíûå ñòàòèñòè÷åñêèå ìåòîäû è èõ ïðèìåíåíèÿ. Ì.: Íàóêà. 1968. 548 ñ. [35] Âààëü Â.À., Êîøêèí Ã.Ì. Èíòåðâàëüíûå íåïàðàìåòðè÷åñêèå îöåíêè ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè// Ìàòåìàòè÷åñêîå ìîäåëèðîâàíèå è òåîðèÿ âåðîÿòíîñòåé. Ñá. íàó÷íûõ òðóäîâ Òîìñêîãî óíèâåðñèòåòà / Ïîä ðåä. È.À. Àëåêñàíäðîâà, Â.Í.Áåðöóíà, À.Ì.Áóáåí÷èêîâà è Þ.Ê.Óñòèíîâà. Òîìñê: Èçä-âî ÒÃÓ. 1998. Ñ.147149.

102

[36] Âààëü Â.À., Êîøêèí Ã.Ì. Íåïàðàìåòðè÷åñêîå îöåíèâàíèå ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè îòêàçîâ è åå ïðîèçâîäíîé// Èçâ. âóçîâ. Ôèçèêà. 1999. N 3. Ñ.141-146. [37] Âààëü Â.À., Êîøêèí Ã.Ì. Îöåíèâàíèå ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè îòêàçîâ è åå ïðîèçâîäíîé â óñëîâèÿõ íåîïðåäåëåííîñòè// Ìåæä. êîíô. ïî ïðîáëåìàì óïðàâëåíèÿ (29 èþíÿ - 2 èþëÿ 1999 ã.). Òåçèñû äîêë. â òðåõ òîìàõ. Ì.: Ôîíä "Ïðîáëåìû óïðàâëåíèÿ". 1999. Ò.2. Ñ.138-140. [38] Âààëü Â.À., Êîøêèí Ã.Ì. Îöåíèâàíèå ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè îòêàçîâ è åå ïåðâûõ äâóõ ïðîèçâîäíûõ â óñëîâèÿõ íåîïðåäåëåííîñòè// Ìåæä. êîíô. ïî ïðîáëåìàì óïðàâëåíèÿ (29 èþíÿ - 2 èþëÿ 1999 ã.). Èçáðàííûå òðóäû â äâóõ òîìàõ. Ì.: ÑÈÍÒÅÃ. 1999. Ò.1. Ñ.120-126. [39] Koshkin G.M., Vaal V.A. On Estimation of Hazard Rate Function and its Derivatives// The Third Russian-Korean International Symposium on Science and Technology (June 22-25, 1999, Novosibirsk). Abstracts. Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University. 1999. Vol.2. P.544. [40] Vaal V.A., Koshkin G.M. Kernel Nonparametric Estimation of the Hazard Rate Function and its Derivatives// The Third RussianKorean International Symposium on Science and Technology (June 22-25, 1999, Novosibirsk). Proceedings. Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University. 1999. Vol.2. P.496-500. [41] Ñáîðíèê çàäà÷ ïî ìàòåìàòèêå äëÿ âòóçîâ. ×. 3. Òåîðèÿ âåðîÿòíîñòåé è ìàòåìàòè÷åñêàÿ ñòàòèñòèêà: Ó÷åá. ïîñîáèå äëÿ âòóçîâ / Ïîä ðåä. À.Â.Åôèìîâà. 2-å èçä., ïåðåðàá. è äîï. Ì.: Íàóêà, 1990, 428 ñ. [42] Ïåíñêàÿ Ì.ß. Ñòàòèñòè÷åñêèå ìåòîäû îöåíèâàíèÿ è ïðîâåðêè ãèïîòåç// Ìåæâóçîâñêèé ñá. íàó÷. òðóäîâ. Ïåðìü: Ïåðìñêèé óí-ò. 1990. Ñ. 44-55. [43] Êîøêèí Ã.Ì. Ìîìåíòû îòêëîíåíèé îöåíêè ïîäñòàíîâêè è åå êóñî÷íî-ãëàäêèõ àïïðîêñèìàöèé // Ñèáèðñêèé ìàòåìàòè÷åñêèé æóðíàë. 1999. Ò.40. ò 3. Ñ.605618. [44] Êðàìåð Ã. Ìàòåìàòè÷åñêèå ìåòîäû ñòàòèñòèêè. Ì.: Ìèð. 1975. 648 ñ. [45] Koshkin G.M. Nonparametric Estimation in Complex Models of Life Insurance // Ìàòåìàòè÷åñêîå ìîäåëèðîâàíèå è òåîðèÿ âåðîÿòíîñòåé. Ñá. íàó÷íûõ òðóäîâ Òîìñêîãî óíèâåðñèòåòà / Ïîä ðåä. 103

Â.Í.Áåðöóí, À.Ì.Áóáåí÷èêîâà è Þ.Ê.Óñòèíîâà. Òîìñê: Èçä-âî ÒÃÓ. 1998. Ñ.207214. [46] Êîøêèí Ã.Ì. Íåïàðàìåòðè÷åñêîå îöåíèâàíèå ôóíêöèîíàëîâ â ìîäåëÿõ ñòðàõîâàíèÿ æèçíè // Îáîçðåíèå ïðèêëàäíîé è ïðîìûøëåííîé ìàòåìàòèêè. 1997. Ò.4. Âûï.3. Ñ.362-363. [47] Êîðí Ã., Êîðí Ò. Ñïðàâî÷íèê ïî ìàòåìàòèêå äëÿ íàó÷íûõ ðàáîòíèêîâ è èíæåíåðîâ. Ì.: Íàóêà. 1968. 720 ñ. [48] Êîëìîãîðîâ À.Í., Ôîìèí Ñ.Â. Ýëåìåíòû òåîðèè ôóíêöèé è ôóíêöèîíàëüíîãî àíàëèçà. Ì.: Íàóêà. 1972. 496 ñ. [49] Êèòàåâà À.Â., Êîøêèí Ã.Ì. Óñòîé÷èâîå ñ óëó÷øåííîé ñêîðîñòüþ ñõîäèìîñòè íåïàðàìåòðè÷åñêîå îöåíèâàíèå ìíîãîìåðíîé ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè // Àâòîìàòèêà è òåëåìåõàíèêà. 1997. ò 5. Ñ. 202 214. [50] Êîøêèí Ã.Ì. Óëó÷øåííàÿ íåîòðèöàòåëüíàÿ ÿäåðíàÿ îöåíêà ïëîòíîñòè // Òåîðèÿ âåðîÿò. è åå ïðèìåí. 1988. Ò.33. Âûï. 4. Ñ.817822. [51] Êîøêèí Ã.Ì. Î äâóõ òèïàõ íåïàðàìåòðè÷åñêèõ îöåíîê ïëîòíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ // Èçâ. âóçîâ. Ôèçèêà. 1995. ò 9. Ñ.3138. [52] Habbema J.D.F., Hermans J., Vandenbroek K. A stepwise disriminant analysis program using density estimation in COMPSTAT 1974, G.Bruckmann (Ed.). Wien. Physica Verlag. 1974. P. 101-110. [53] Woodroofe M. On choosing a delta-sequence. Ann. of Math. Stat. 1970. V. 41. P. 1665-1671.

104

Ã.Ì.Êîøêèí

ÎÑÍÎÂÛ ÑÒÐÀÕÎÂÎÉ ÌÀÒÅÌÀÒÈÊÈ Ó÷åáíîå ïîñîáèå Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò 634050, ã. Òîìñê, ïð. Ëåíèíà, 36

7

ÏÐÈËÎÆÅÍÈß Òàáëèöà ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè âîçðàñò ìóæ÷èíû x lx qx dx 14 95,438 0,00068 65 15 95,373 0,00082 78 16 95,295 0,00101 97 17 95,198 0,00124 118 18 95,080 0,00149 142 19 94,938 0,00173 164 20 94,774 0,00196 186 21 94,588 0,00216 205 22 94,383 0,00234 221 23 94,162 0,00249 235 24 93,927 0,00263 247 25 93,680 0,00277 260 26 93,420 0,00293 274 27 93,146 0,00312 290 28 92,856 0,00333 310 29 92,546 0,00356 330 30 92,216 0,00381 352 31 91,864 0,00405 372 32 91,492 0,00425 389 33 91,103 0,00445 406 34 90,697 0,00465 422 35 90,275 0,00487 440 36 89,835 0,00514 462 37 89,373 0,00550 492 38 88,881 0,00595 529 39 88,352 0,00649 573 40 87,779 0,00708 622 41 87,157 0,00770 671 42 86,486 0,00831 719

106

(ÑÑÑÐ, 19841985 ã.) [3, ñ.86]

lx 96,407 96,371 96,331 96,286 96,235 96,178 96,116 96,050 95,981 95,910 95,837 95,762 95,685 95,605 95,521 95,432 95,337 95,236 95,128 95,012 94,887 94,752 94,605 94,446 94,274 94,089 93,890 93,676 93,445

æåíùèíû qx 0,00037 0,00041 0,00047 0,00053 0,00059 0,00065 0,00069 0,00072 0,00074 0,00076 0,00078 0,00081 0,00084 0,00088 0,00093 0,00099 0,00106 0,00113 0,00121 0,00131 0,00142 0,00155 0,00168 0,00182 0,00196 0,00212 0,00228 0,00247 0,00267

dx 36 40 45 51 57 62 66 69 71 73 75 77 80 84 89 95 101 108 116 125 135 147 159 172 185 199 214 231 249

âîçðàñò

x 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73

ìóæ÷èíû

lx 85,767 85,005 84,204 83,364 82,483 81,554 80,569 79,519 78,398 77,205 75,941 74,609 73,212 71,750 70,218 68,608 66,913 65,130 63,260 61,311 59,290 57,201 55,048 52,831 50,554 48,221 45,836 43,405 40,935 38,435 35,914

qx 0,00888 0,00943 0,00997 0,01057 0,01126 0,01208 0,01303 0,01409 0,01522 0,01637 0,01754 0,01872 0,01997 0,02136 0,02293 0,02470 0,02665 0,02871 0,03080 0,03296 0,03523 0,03765 0,04027 0,04310 0,04616 0,04947 0,05304 0,05691 0,06108 0,06558 0,07044

æåíùèíû

dx 762 801 840 881 929 985 1,050 1,121 1,193 1,264 1,332 1,397 1,462 1,532 1,610 1,695 1,783 1,870 1,949 2,021 2,089 2,153 2,217 2,277 2,333 2,385 2,431 2,470 2,500 2,521 2,530

107

lx 93,196 92,926 92,634 92,318 91,977 91,610 91,216 90,792 90,333 89,833 89,285 88,684 88,028 87,319 86,563 85,768 84,937 84,068 83,149 82,157 81,074 79,885 78,580 77,150 75,589 73,889 72,044 70,043 67,894 65,582 63,108

qx 0,00289 0,00314 0,00341 0,00369 0,00399 0,00430 0,00465 0,00506 0,00554 0,00610 0,00673 0,00740 0,00806 0,00866 0,00919 0,00969 0,01023 0,01094 0,01193 0,01318 0,01467 0,01634 0,01819 0,02024 0,02249 0,02497 0,02771 0,03073 0,03406 0,03772 0,04176

dx 270 292 316 341 367 394 424 459 500 548 601 656 709 756 795 831 869 919 992 1,083 1,189 1,305 1,430 1,561 1,700 1,845 1,997 2,153 2,212 2,474 2,635

âîçðàñò

x 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90

lx 33,384 30,857 28,349 25,872 23,442 21,075 18,787 16,594 14,512 12,555 10,735 9,063 7,546 6,037 3,623 1,449 290

ìóæ÷èíû

qx 0,07568 0,08129 0,08738 0,09393 0,10098 0,10857 0,11672 0,12548 0,13489 0,14497 0,15577 0,16733 0,20000 0,40000 0,60000 0,80000 1,00000

æåíùèíû

dx 2,527 2,508 2,477 2,430 2,367 2,288 2,193 2,082 1,957 1,820 1,672 1,517 1,509 2,414 2,174 1,159 290

lx 60,473 57,679 54,736 51,646 48,428 45,097 41,674 38,187 34,666 31,146 27,665 24,265 20,988 16,791 10,075 4,030 806

qx 0,04620 0,05106 0,05642 0,06232 0,06879 0,07589 0,08368 0,09221 0,10155 0,11176 0,12291 0,13507 0,20000 0,40000 0,60000 0,80000 1,00000

dx 2,794 2,945 3,088 3,218 3,331 3,423 3,487 3,521 3,520 3,481 3,400 3,277 4,197 6,716 6,045 3,224 806

]

Êâàíòèëè xp óðîâíÿ p ñòàíäàðòíîãî íîðìàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ [, ñ.407] p xp

0,90 1,282

0,95 1,645

0,975 1,960

0,99 2,326

108

0,995 2,576

0,999 3,090

0,9999 3,291

]

Ôðàãìåíò òàáëèöû ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè (ÑØÀ, 19791981 ã. ) [1, ñ.5558] ◦

x 0 1 2 3 .. .

lx 100 000 98 740 98 648 98 584 .. .

qx 0,01260 0,00093 0,00065 0,00050 .. .

dx 1 260 92 64 49 .. .

Lx 98 973 98 694 98 617 98 560 .. .

Tx 7 387 758 7288785 7190091 7091474 .. .

ex 73,88 73,82 72,89 71,93 .. .

40 41 42 43 .. .

94 926 94 706 94 465 94 201 .. .

0,00232 0,00254 0,00279 0,00306 .. .

220 241 264 288 .. .

94817 94585 94334 94057 .. .

3492100 3397283 3302698 3208364 .. .

36,79 35,87 34,96 34,06 .. .

19 20 21 22 .. .

60 61 62 63 .. .

100 101 102 103 104 105 106 107

97 851 97 741 97 623 97 499 .. .

83 726 82 581 81 348 80 024 .. . 1 150 815 570 393 267 179 119 78

0,00112 0,00120 0,00127 0,00132 .. .

0,01368 0,01493 0,01628 0,01767 .. .

0,29120 0,30139 0,31089 0,31970 0,32786 0,33539 0,34233 0,34870

110 118 124 129 .. .

1145 1233 1324 1415 .. . 335 245 177 126 88 60 41 27

109

97796 97682 97561 97435 .. .

83153 81965 80686 79316 .. . 983 692 481 330 223 150 99 64

5518733 5420937 5323255 5225694 .. .

1676326 1593173 1511208 1430522 .. . 3137 2154 1462 981 651 428 278 179

56,40 55,46 54,53 53,60 .. .

20,02 19,29 18,58 17,88 .. . 2,73 2,64 2,57 2,50 2,44 2,38 2,33 2,29

]

Óòâåðæäåíèå 1Ï . Åñëè ôóíêöèÿ f (x) èìååò â òî÷êå x = x0 ∈ X ïðîèçâîäíóþ f (n) (x0 ), òî îíà â îêðåñòíîñòè òî÷êè x = x0 íåïðåðûâíà 0 00 è èìååò ïðîèçâîäíûå f (x), f (x), . . . , f (n−2) (x), íåïðåðûâíûå â îêðåñòíîñòè òî÷êè x = x0 , è ïðîèçâîäíóþ f (n−1) (x), íåïðåðûâíóþ â òî÷êå x = x0 . Óòâåðæäåíèå 2Ï (ôîðìóëà Òåéëîðà ñ îñòàòî÷íûì ÷ëåíîì â ôîðìå Ïåàíî). Åñëè ôóíêöèÿ f (x) n ðàç äèôôåðåíöèðóåìà â òî÷êå x = x0 , òî â íåêîòîðîé îêðåñòíîñòè ýòîé òî÷êè 0

f (n) (x0 ) f (x0 ) (x − x0 ) + . . . + (x − x0 )n + o((x − x0 )n ), 1! n! x → x0 . Óòâåðæäåíèå 3Ï (ôîðìóëà Òåéëîðà ñ îñòàòî÷íûì ÷ëåíîì â ôîðìå Ëàãðàíæà). Åñëè ôóíêöèÿ f (x) èìååò â íåêîòîðîé îêðåñòíîñòè òî÷êè x0 ïðîèçâîäíóþ ïîðÿäêà n + 1, òî äëÿ ëþáîé òî÷êè x èç óêàçàííîé îêðåñòíîñòè f (x) = f (x0 ) +

0

f (x) = f (x0 ) + +

f (x0 ) f (n) (x0 ) (x − x0 ) + . . . + (x − x0 )n + 1! n!

f (n+1) (x0 + θ(x − x0 )) (x − x0 )n , 0 < θ < 1. (n + 1)!

Òåîðåìà 1Ï [48, ñ. 284] (òåîðåìà Ëåáåãà î ïðåäåëüíîì ïåðåõîäå ïîä çíàêîì èíòåãðàëà èëè î ìàæîðèðóåìîé ñõîäèìîñòè). Ïóñòü ïîñëåäîâàòåëüíîñòü fn (x) è ôóíêöèÿ ϕ(x) èíòåãðèðóåìû íà èçìåðèìîì ìíîæåñòâå A, ïðè âñåõ n è ïðè ïî÷òè âñåõ x ∈ A |fn (x)| ≤ ϕ(x) è lim fn (x) = f (x) äëÿ ïî÷òè âñåõ x ∈ A. Òîãäà n→∞

Z

|f (x)|dx < ∞,

A

n→∞

Z

lim

Z

lim

n→∞

fn (x)dx =

A

Z

f (x)dx,

A

|fn (x) − f (x)|dx = 0.

A

Òåîðåìà 2Ï (òåîðåìà Ëåáåãà î ìàæîðèðóåìîé ñõîäèìîñòè â òåðìèíàõ ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ). Ïóñòü η, ξ1 , ξ2 , . . . ñëó÷àéíûå âåëè÷èíû òàêèå, ÷òî |ξn | ≤ η, Eη < ∞ è ξn → ξ ñ âåðîÿòíîñòüþ 1. Òîãäà Eξ < ∞, Eξn → Eξ, 110

E|ξn − ξ| → 0 ïðè n → ∞.

Òåîðåìà 3Ï (òåîðåìà 2.1.1 èç [32]). Åñëè dn (xn − φ) =⇒ Ns {µ, σ} , H(z) ∈ N1,s (φ), H (1) (φ) 6= 0, òî   s s X  X dn (H(xn ) − H(φ)) =⇒ N1 Hj (φ)µj , Hj (φ)Hp (φ)σjp . (Ï.1)   j=1

j,p=1

Òåîðåìà 4Ï [34]. Ïóñòü . .} ïîñëåäîâàòåëüíîñòü p {Tn , n = 1, 2, . ñòàòèñòèê òàêàÿ, ÷òî dn [Tn − θ] =⇒ N1 0, σ 2 (θ) , ÷èñëîâàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü dn ↑ ∞. Ïóñòü g ôóíêöèÿ îäíîé ïåðåìåííîé, èìåþùàÿ ïåðâóþ ïðîèçâîäíóþ g 0 . Òîãäà, åñëè g 0 (θ) 6= 0, òî n o p 2 dn [g (Tn ) − g(θ)] =⇒ N1 0, [g 0 (θ)σ(θ)] . Åñëè, êðîìå òîãî, g 0 íåïðåðûâíà, òî √ dn [g (Tn ) − g(θ)] =⇒ N1 0, σ 2 (θ) , 0 g (Tn ) à åñëè è σ(θ) íåïðåðûâíà, òî √ dn [g (Tn ) − g(θ)] =⇒ N1 {0, 1} . g 0 (Tn ) σ (Tn )

Çàìå÷àíèå 1Ï . Â [34, c. 335] , ïðèâîäèòñÿ àíàëîãè÷íûé ðåçóëüòàò

ïðè dn = n.

Òåîðåìà 5Ï 1 . Ïóñòü âûïîëíåíû ñëåäóþùèå óñëîâèÿ:

1) H(z) ∈ N2,s (φ),

2) Mm kxn k = O d−m/2 n

Cd−1 n ,

äëÿ íåêîòîðîãî m ≥ 3, m ∈ N,

3) δ = δn = 4) H(φ) 6= 0 èëè τ ∈ N + . Òîãäà äëÿ ëþáûõ (τ, k) ∈ T (m) h ik e n , δ) − H(φ) − E ∇H(φ)(xn − φ)T k = O d−(k+1)/2 , (Ï.2) E Φ(x n

e n , δ) = H(xn )/ (1 + δ |H(xn )|τ )ρ , τ > 0, ρ > 0, ρτ ≥ 1, δ > 0. ãäå Φ(x 1 Ñîãëàñíî

îáîçíà÷åíèé íà ñòð. 92.

111

Ñôîðìóëèðóåì äâóìåðíóþ öåíòðàëüíóþ ïðåäåëüíóþ òåîðåìó â ñõån ìå ñåðèé â ñëåäóþùèõ îáîçíà÷åíèÿõ: {ξj,n , ηj,n }j=1 , n = 1, 2, . . . ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íåçàâèñèìûõ îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûõ äâóìåðíûõ âåêòîðîâ â ñõåìå ñåðèé (ðàñïðåäåëåíèå (ξj,n , ηj,n ) çàâèñèò îò n); σn = T T nE p (ξ1,n , η1,n ) (ξ1,n , η1,n ) , çäåñü çíàê òðàíñïîíèðîâàíèÿ; k(ξ, η)k = 2 2 ξ +η . Òåîðåìà 6Ï [9] (äâóìåðíàÿ öåíòðàëüíàÿ ïðåäåëüíàÿ òåîðåìà â ñõåìå ñåðèé). Ïóñòü: 1) E (ξj,n , ηj,n ) = (0, 0), 2) E kξj,n , ηj,n k2 < ∞, 3) âûïîëíåíî óñëîâèÿ Ëèíäåáåðãà: äëÿ ëþáîãî τ ïðè n → ∞: 2 nE kξj,n , ηj,n k ; kξj,n , ηj,n k > τ −→ 0, 4) σn −→ σ =

σ11 σ21

σ12 σ22

. Òîãäà âåêòîð

n X j=1

(ξj,n , ηj,n ) èìååò äâóìåð-

íîå ïðåäåëüíîå íîðìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå N2 {(0, 0), σ} .

112

Основы страховой математики

Recommend Documents