Truth is the daughter of time, not of authority.

# 概述

精算师 (Actuary)

精算考虑的是过去的决策对将来不确定性风险条件下的影响。

精算包括寿险精算非寿险精算

# 寿险精算数学

# 生存分布与生命表

# 连续型的死亡年龄概率分布

设刚出生的婴儿死亡年龄为XX,则XX 是一个连续型随机变量。我们定义其分布函数F(x)=P(Xx)F(x)=\mathbb{P}(X \leq x),密度函数为f(x)f(x)

# 离散型死亡年龄的概率分布

此外,我们还可以将死亡年龄建模成离散型随机变量,将死亡年龄取整数值KK。假设其在年龄kk 时死亡的概率为qkq_k,则有i=0qi=1\sum_{i=0}^\infty q_i = 1,其分布函数F(x)=k=0[x]qkF(x) = \sum_{k=0}^{[x]}q_k

# 生存分布

在上述建模基础上,我们需要引入一些函数以简化我们的计算和表达。首先,我们引入生存函数

我们定义生存函数s(x):=P(X>x)=1F(x)s(x):=\mathbb{P}(X>x) = 1-F(x),其中x0x \geq 0。于是s(x)s(x) 表示新生儿活到xx 岁的概率。容易发现,生存函数是单调递减右连续函数,f(x)=s(x)f(x) = -s'(x),且s(0)=1s(0)=1limxs(x)=0\lim_{x\to\infty}s(x)=0

在生存函数的基础上,我们定义极限寿命ω\omegamin{xs(x)=0}\min\{x|s(x)=0\}

# 未来 (剩余) 寿命

我们定义未来寿命 (Future Lifetime) 是(x)(x) 至死亡还能存活的时间,记作T(x)T(x);其所能存活的整年数称为未来整值剩余寿命,记作K(x):=[T(x)]K(x):=[T(x)]。其中(x)(x) 表示年龄为xx 岁的人。此处,T(x)T(x)K(x)K(x) 都是依赖于(x)(x),相对于时间tt 变化的随机变量。

此外,我们还有一些国际通用的精算符号:

  1. tqx_tq_x: 表示(x)(x)tt 年内死亡的概率。其中t0t \leq 0,若t=1t=1,则简记为qxq_x
  2. tpx_tp_x: 表示(x)(x) 至少再活tt 年的概率。特别地,xp0=s(x)_xp_0 = s(x)。显然有tpx=1tqx_tp_x = 1-\\_tq_x。若t=1t=1,则简记为pxp_x
  3. tuqx_{t|u}q_x: 表示(x)(x) 至少再活tt 年且在其后的uu 年内死亡的概率。若u=1u=1,则简记为tqx_{t|}q_x

下面我们计算未来寿命的概率分布:

T(x)T(x) 的分布函数

FT(x)(t)=P(T(x)t)=tqx=1s(x+t)s(x)F_{T(x)}(t) = \mathbb{P}(T(x) \leq t) = _t\!\!q_x = 1-\frac{s(x+t)}{s(x)}

K(x)K(x) 的概率函数

P(K(x)=k)=P(kT(x)<k+1)=k+1qxkqx=kpxk+1px\mathbb{P}(K(x)=k) = \mathbb{P}(k\leq T(x) < k+1) =\\_{k+1}q_x - _k\!\!q_x = _k\!\!p_x -\\_{k+1}p_x

# 死力

# 定义

我们定义单位时间上的死亡率为死力 (Force of Mortality),记作μx\mu_x。于是,根据定义,有

μx:=ds(x)s(x)dx=dlns(x)dx=(lns(x)).\mu_x:=\frac{-\mathrm{d}s(x)}{s(x)\mathrm{d}x} = -\frac{\mathrm{d}\ln s(x)}{\mathrm{d}x} = -\left(\ln s(x)\right)'.

注意,μxs(x)\mu_x \neq s'(x),因为此时的总人数为s(x)s(x) 而非11.

在此基础上,容易得到:

s(x)=exp(0xμsds).s(x) = \exp\left(-\int_0^x\mu_s\mathrm ds\right).

于是,如果检验一个函数是否为死力函数,那么就由其求生存函数,再根据生存函数的性质检验。

关于μx\mu_xtpx_tp_xtqx_tq_xtuqx_{t|u}q_x 的关系,可以转化成s(x)s(x) 再计算。

# 常见解析形式

对于死力,有四种常见的建模形式,以创建者分别命名。

名称μx\mu_xs(x)s(x)条件限制
De Moivre(1729)1ωx\frac{1}{ω-x}{}1xω1-\frac{x}{ω}{}0x<ω0\leq x<\omega, ω\omega 为极限寿命
Gompertz(1825)BCxBC^xexp(BCxBlnC)\exp(-\frac{BC^x-B}{\ln C})x0,B>0,C1x \geq 0, B>0, C \geq 1
Makeham(1860)A+BCxA+BC^xexp(AxBCxBlnC)\exp(-Ax-\frac{BC^x-B}{\ln C})x0,B>0,C1,ABx \geq 0, B>0, C \geq 1, A \geq -B
Weibull(1939)kxnkx^nexp(kxn+1n+1)\exp(-\frac{kx^{n+1}}{n+1})x0,k>0,n>0x \geq 0, k > 0, n > 0

# 生命表

# 生命表

根据以往一定时期内各种年龄的死亡统计资料编制而成的、由每个年龄段上的死亡概率所组成的汇总表称为生命表 (Life Table),又称死亡表寿命表

因此,生命表是研究群体死亡性质的统计性表格。

# 生命表函数

在生命表数据前提下,我们研究由l0l_0 个新生儿构成的群体的特征。根据生命表,可以定义该群体的几个基本函数。

  1. 生存人数lx:=l0s(x)l_x:=l_0s(x):表示该群体中能活到xx 岁的期望人数。

  2. 死亡人数nDx_nD_x:表示上述群体中在未来xx 年至x+nx+n 年死亡的人数,是一个随机变量,期望值以ndx_nd_x 表示。显然

ndx=lxlx+n._nd_x=l_x-l_{x+n}.

  1. 生存人年数nLx_nL_x:表示年龄为xxlxl_x 人在未来nn 年生存的时间之和。显然

nLx=0ntd(lx+t)+nlx+n=0nlx+tdt._nL_x=\int_{0}^{n}t\mathrm d(-l_{x+t}) + nl_{x+n} = \int_{0}^nl_{x+t}\mathrm dt.

  1. 累积生存人年数TxT_x:表示自xx 岁开始的各年龄上生存人年数总和。

Tx=+Lx=0+lx+tdt.T_x=_{+\infty}L_x = \int_{0}^{+\infty}l_{x+t}\mathrm dt.

  1. 中心死亡率 (Central Death Rate)nmx_nm_x:表示单位时间死力的加权平均,作为现实中死亡率的估计。定义nn 年的中心死亡率为

nmx:=0nlx+tμx+tdt0nlx+tdt=lxlx+nnLx=ndxnLx._nm_x:=\frac{\int_{0}^nl_{x+t}\mu_{x+t}\mathrm dt}{\int_0^nl_{x+t}\mathrm dt} = \frac{l_{x}-l_{x+n}}{_nL_x}=\frac{_nd_x}{_nL_x}.

  1. 平均生存年数α(x)\alpha(x):表示在[x,x+1)[x,x+1) 内死亡者的平均生存年数。显然

α(x)=Lxlx+1dx=LXlx+1lxlx+1.\alpha(x)=\frac{L_x-l_{x+1}}{d_x}=\frac{L_X-l_{x+1}}{l_x-l_{x+1}}.

根据此,可以得到插值公式

Lx=α(x)lx+(1α(x))lx+1.L_x=\alpha(x)l_x+(1-\alpha(x))l_{x+1}.

e\overset{\circ}{e}