Gerber–Shiu Risk Theory
Draft
June 10, 20131 Introduction
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 The Cram´er–Lundberg process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The classical problem of ruin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Gerber–Shiu expected discounted penalty functions . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Exotic Gerber–Shiu theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 The Wald martingale and the maximum
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1 Laplace exponent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 First exponential martingale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Esscher transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Distribution of the maximum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 The Kella-Whitt martingale and the minimum
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.1 The Cram´er–Lundberg process reflected in its supremum . . . . . . . . . 17
3.2 A useful Poisson integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Second exponential martingale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 Duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5 Distribution of the minimum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6 The long term behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.7 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Scale functions and ruin probabilities
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.1 Scale functions and the probability of ruin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Connection with the Pollaczek–Khintchine formula . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 Gambler’s ruin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
vii
viii Contents
5 The Gerber–Shiu measure
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.1 Decomposing paths at the minimum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2 Resolvent densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.3 More on Poisson integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4 Gerber–Shiu measure and gambler’s ruin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.5 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6 Reflection strategies
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456.1 Perpetuities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2 Decomposing paths at the maximum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.3 Derivative of the scale function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.4 Present value of dividends paid until ruin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.5 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7 Perturbation-at-maximum strategies
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577.1 Re-hung excursions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.2 Marked Poisson process revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.3 Gambler’s ruin for the perturbed process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.4 Continuous ruin with heavy perturbation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.5 Expected present value of tax at ruin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.6 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8 Refraction strategies
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678.1 Pathwise existence and uniqueness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.2 Gambler’s ruin and resolvent density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8.3 Resolvent density with ruin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.4 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
9 Concluding discussion
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 799.1 Mixed-exponential claims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
9.2 Spectrally negative L´evy processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
9.3 Analytic properties of scale functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
9.4 Engineered scale functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9.5 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
References . . . . .