1 Matematica de Los Seguros de Vida - Cap 1-Parte 1

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A 1olargo de los últimos añoshemos impartido la docenciade la Matemática de los Seguros de Vida en la Universidad Comptrutense de Madrid. Dicha materia se incluía antesdentro de la ruma actuarial, y actualmenteen la licenciatura de segundo ciclo en Ciencias Actuarialesy Financieras. Fruto de estaexperiencia docente es el libro que hoy persentamos con el ánimo de que sea de utilidad y avudatanto a los estudiantes de la disciplina como a los actuarios de seguros en el ejercicio de su profesión. También nos ha motivado la escasez de títulos en castellano dedicados al tema, y esperamosque con esta publicación estemosacercandolos contenidos de la Matemática Actuarial Vida a todos los potenciales lectoresde habla hispanainteresados en ei tema. La obra ha sido escrita como una introducción a 1aMatemática de los Segurbsde Vida. Nuestro objetivo es que pueda servir de texto parauna primera asignatura de la ma- teria de seiscréditos,pero a su vez hemos intentado que sea 1o suficientemente completa como para que un lector que haya frnÑzado su lec¡ura posea los conocimientosnecesarios paru Áordu. porte.iormente el estudio de temas más avanzados. El libro está redactado para iector.r qrr" hayan seguido previamente cursos introductorios de cálculo diferencial e intregral, cálculo de probabilidades y de matem ática financiera, al nivel que se vienen impartiendo en el primer ciclo de las licenciaturasen Administración y Dirección de Empresas y Economía. Los capítulos constan de una parté teórica suficientementeejemplificada y de una parte práctica consistente en ejercicios. Estos últimos o f ien desarrollany ejemplifican aspectos mencionados en Ia teoúa, o bien exponen resultados no explicados en el ca- pítulo cuyo conocimientocompletael cuerpo teórico. Hemos cuidado particularmenteel aspecto computacional de libro, con laídea de que el estudio y dominio de los calcuiosactuariales deben necesariamente incluir 1a posibiiidad de llevarlos aIa prácticade una forma sencilla y potente. Por ello adjuntamosunos pro- gramas informáticos a travésde los cuales se pretenden alc¿rnzar los siguientes objetivós;- En primer lugar, mosuar de qué forma se pueden llevar a cabo todos los cálculos pro-

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1 Matematica de Los Seguros de Vida - Cap 1-Parte 1, que combina la estadistica con acturial

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A 1o largo de los últimos años hemos impartido la docencia de la Matemática de los

Seguros de Vida en la Universidad Comptrutense de Madrid. Dicha materia se incluía

antes dentro de la ruma actuarial, y actualmente en la licenciatura de segundo ciclo en

Ciencias Actuariales y Financieras. Fruto de esta experiencia docente es el libro que hoy

persentamos con el ánimo de que sea de utilidad y avuda tanto a los estudiantes de la

disciplina como a los actuarios de seguros en el ejercicio de su profesión. También nos

ha motivado la escasez de títulos en castellano dedicados al tema, y esperamos que

con esta publicación estemos acercando los contenidos de la Matemática Actuarial

Vida a todos los potenciales lectores de habla hispana interesados en ei tema.

La obra ha sido escrita como una introducción a 1a Matemática de los Segurbs de

Vida. Nuestro objetivo es que pueda servir de texto parauna primera asignatura de la ma-

teria de seis créditos, pero a su vez hemos intentado que sea 1o suficientemente completa

como para que un lector que haya frnÑzado su lec¡ura posea los conocimientos necesariosparu Áordu. porte.iormente el estudio de temas más avanzados. El libro está redactadopara iector.r qrr" hayan seguido previamente cursos introductorios de cálculo diferenciale intregral, cálculo de probabilidades y de matem ática financiera, al nivel que se vienen

impartiendo en el primer ciclo de las licenciaturas en Administración y Dirección de

Empresas y Economía.Los capítulos constan de una parté teórica suficientemente ejemplificada y de una

parte práctica consistente en ejercicios. Estos últimos o f ien desarrollan y ejemplificanaspectos mencionados en Ia teoúa, o bien exponen resultados no explicados en el ca-

pítulo cuyo conocimiento completa el cuerpo teórico.Hemos cuidado particularmente el aspecto computacional de libro, con laídea de que

el estudio y dominio de los calcuios actuariales deben necesariamente incluir 1a posibiiidadde llevarlos aIa práctica de una forma sencilla y potente. Por ello adjuntamos unos pro-gramas informáticos a través de los cuales se pretenden alc¿rnzar los siguientes objetivós;-En primer lugar, mosuar de qué forma se pueden llevar a cabo todos los cálculos pro-

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Page 3: 1 Matematica de Los Seguros de Vida - Cap 1-Parte 1

1

Probabilidad demuerte y superuiuencia

1.1 Introducción

Dada una persona de edad r (o cabeza de edad n) en terminologra actuarial), que a

partir de ahora representaremo,s por (r), no cabe duda de que los sucesos "fallecer

antes de cumpli,r la edad r*t" o "sobTeu'iui,r a,Ia edad r*t"son aleatorios. La

determinación d.e las probabilidades de estos y de otros sucesos relativos a la vida

humana debe constituir el punto de partida de la construcción de Ia matemática

de los seguros de vida.

!.2 Principales variables aleatorias

Para reaiiza^r un estudio riguroso de las probabilidades de muerte y supervivencia

hemos de referirnos a algunas variables aleatorias y a su distribución de probabili

dad. Este es el objetivo del siguiente apartado.

1.2.1 Ed,ad, d,e muer-te d,e un rec'ién nacid,o

Denotamos por X alava¡iable aleatoria " edad de muerte de un recién naaido", eü€ '

supo4emos continua. Representando por F a su función de distribución, tendremos

F(r) : P(X < r) ( r .1)

donder)0VF'(0) : ¡ .

Conocida F pueden determina¡se fácilmente las siguientes probabilidades:

a) Probabitidad de que un recién nacido fallezca entre las edades n y r * t,

P(, < X 1 n+Ú) : F(r * t ) - F(r) '

bf-Probabilidad de que un recién nacido sobreviva a la edad r,

P(X>r): I -F(")

1

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(1.3;

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Page 5: 1 Matematica de Los Seguros de Vida - Cap 1-Parte 1

PROBABILIDADESDEMUERTE Y.'UPERVTVENCIA '

1.2.4 Vida residual

Dada üna persóna de edad a, s'¿.' uida resi,d,ual'o bien su tiempo de ui'da hasta Ia

muerte es otra va¡iable aleatoria que representaremos por Tr. Sie¡do G" su función

de distribución, tendremos que

G,(t) : P(7,3t) ¿ > 0

es ia probabilidad de que una persona viva a la edad r f.úlezca en el transcurso de

ü años, esto es, antes de cumpiir la edad n * t.

Es claro que ?1" : Y, - u Y que To : X. Además,

G*(t) : F,(r + Ú) :s(¿)-s(r+ú)

(1.11)

-.vGo(¿) : F(t)

Siendo I una va¡iable aleatoria continua, su función de densid¿"d. es

s(")

(1.10)

(1.12)

(1.14)

g.(t):#({9#.0) :-*#

1.2.5 Número de años completos de ui'da hasta Ia muerte

Definamos ahora ia variable aleatoria discreta número d,e años ,n*il"tot d'e uida

hasta Ia muerte de una personl' de edad r, gug representaremG por Kr.

P(K, : k) : P(k < T, <k + 1) , t : 0, I ,2,--- i i . i l ¡

Por ser ?1, continua, no importa el carácter estricto o no estricto ie las desigualdadesanteriores. Ciertamente

P(K, - k) : G,(k+ 1) - G,(k)

¡ empleando la función de supervivencia,

^ '") - s(r * k + 1) s(r) - s(r+ k)P(K,-k) : f f - - f f :

para k entero no negativo.

s(r)I r . rD.)

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(on)e+ad? Ede -(s + r)s'(r)s(")s(e+sar)s'(s+n)s(r+s+r)s

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Errualr^radns rt glranu op serlsgq sap€p¡1lq€qold 8'I

varA sa so¿n ss soI aa v)uvws.Iwu

Page 7: 1 Matematica de Los Seguros de Vida - Cap 1-Parte 1

PROBABILIDADES DE MUERTEY SUPERVTVENCIA 5

esto es, ia probabilidad de que una cabeza de edad z alcance con vida la edad

n + s * ú es igual a la probabilidad de que (z) aicance ia edad r+ s por la deque (z * s) alcance con vida la edad r * s * ú. Ciertamente para t entero ypositivo

t iPa : Pa Pt+I......Pa+t-7

: sPa tQ'¿+ss(")

(1.20)

2.

(1.21)s(r * s)

esto es, la probabilidad de que (r) fallezca entre las edades r * s, r * s * tes igual a la probabilidad de que (r) alcance con vida la edad o * s por laprobabilidad de que (c * s) fallezca antes de alcanza¡ Ia e<lad r * s * ú.

3. Recordqndo ahora la variable aleatoria Kr, número de años completos de vidahasta la muerte de una persona de edad r, tenemos (siempre para valores nonegativos y enteros de k):

P(K" - k) : G"(k + 1) - G,(k) : k/q. , : kpe et+k G.22)

L.4 Tanto instaptáneo de mortalidad

Definiremos a continuación uno de los elementos clave de la matemática de losseguros de vida: eI tanto ir¿stantó,neo de mortalíd,ad o fuerza di rnortalidad.

Sabemos que la probabilidad de que una persona de edad r f.allezca entrelas edades n y r''.,

P(*<X1r ' f X>r¡ :F(c) - F(*)

1- r(c)

Puesto que X es una variable aleatoria continua con función de densidad /(c), y su-poniéndo que / es una edad muy cercana a r, esta probabiiidad puede aproximarsepor {P#El tanto instantó.neo de mortaJidad a la edad x (o fuerza de mortali,dad a la edadr), que se representa por pr, * define como

f(")F1": I _ F(fr)

(1.23)

Page 8: 1 Matematica de Los Seguros de Vida - Cap 1-Parte 1

lr)s(rd? )uI :

G;;Fu7 : ((r)s)u7 - ((i + r)s)u1 : zp,ri

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oTsa) I * r 'r sepvpe svl ar?ua mza11nt r popa ep Duosred nun enb ap pnpqzqoqotdoI D?uesaJda¿ 'rl anb asu,cnpap n3".tpod rou?yuv ugztzu{ap D? aO I ugrcearasqg

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Page 9: 1 Matematica de Los Seguros de Vida - Cap 1-Parte 1

PROBABILIDADES DE MUERTE Y SUPERVIVENCIA

por Io que

IP, : ¿- I!*'F"d"

asimismo

tQa:!-e- l Ín""o '

y haciendo en esta e<presión el cambio de va¡iablefacilidad

tPs : e- üP'+'d"

vtQr:1 - e- I3P'*"a"

2. Expresemos ahora la función de densidad de [ (vidafunción del tanto instantáneo. Sabemos que

- g'(t ' : -of(*t '

multip,.icando y dividiendo por s(x*t) tenemos,

(1.28)

s : z - r, se obtiene con

(1.29) /

(1.30)

residual de (z)) en ,,

( 1. : ¡1)

Tasa central de mortalidad

En iélaciOn con el tanto instantáneo de mortalidad. se define la tasa central d,emortalid,ad a la edad,x (o entre las edades fi , r* 1), que representaremos media¡rtern,r, como la media d. p, ponderada por la función de supervivencia en dichointervalo, esto es,

IÍ*t P" s(z) dzITts: -Ti{*

* (1.32)

Realizando el cambio de variable s : z - fr, y posteriormente dividiendo el numerador y denominador por s(r), tenemos elementalmente

' "[ot ¡2,a" s(r*s) ds It p.+" *# ," IJ "p,

pza" ds

/" {ÍfiLa" Ii "P.ds

fuimismo la tasa central de mortalidad entre las edades r y r * n es

IÍ*^ p, s(z)'dz Jí ,p, p,¡" ds

s,(t):-'"(3{-4## : tPa ttro+t

(1.33)

nff i r :[i+" s(z) dz

(1.34)

Page 10: 1 Matematica de Los Seguros de Vida - Cap 1-Parte 1

sepor ap €rcue'¡e ggc er €ztlu"xe' atlu,r p€pe €un "o n ";:X:;iltl[3HX]#/ of\ of

(gs'r) (+p'¿, I l -?p'd,t l 7: "((J)s)

-(íJ)a :(¿)"to¡z\ *+J / rc+J

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o¡du¡oc IIrgJ sg ''J ep ezver;r"^ €l €Fcl€c as e3o19ue €ur¡oJ ep opuepesord't : (+)"r'f - n 4 3 ered enb sourelo¡q

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(ozpau, opm o) Dp?a ep pzunJ,adsa €ufiIlouap es tJ eP ecll9lualetu ezueradsa e1

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ap apuadap €rcuelsrxe

e.ltnc 'solueruour sop€llc sol ep olnolgc Ie grclIFc€J sou enb ol ' ¡? ( r ered 6 : (c)s

enb 1e1 m e?z,Iun pope eÍ;:l ep elcuelspe €l sourareldas€ elueleP€ ua "rol{"

e6 ''X Ás¿ serroleele salqelru^-sel ep so+uaruour so¡eu¡t¡d sól uglc"nulluoc € sour€rPuelqo

€pI^ ap eztrsrads5l 9'I

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Page 11: 1 Matematica de Los Seguros de Vida - Cap 1-Parte 1

PROBABILIDADES DE MU ERTE Y SUPERVIi/ENCI¡1

1.5.2 " Esperanza de uida abreuiada

Calculemos ahora Ia esperanza matemática de K, (númeró de iiños completos devida hasta la rnuerte). Se denomina esperanza de uida abreuiada y se representapor er.

e,: E(K,) : i k p(K,- k) : i *s(¿+k)-s(r+,k+1) _

s(r)k:O k:0

_ (s(r+ 1) - s(r+2)) + 2 (s(c+ 2) - s(r+3)) +3 (s(r+3) - s(r+a)) +. .s(z)

(1.37)

De nuevo la existencia de la edad límite asegura la convergencia de estas series.Procediendo de forma análoga tenemos que

E(k-\) :É k2 P(K,-k) : f r ' s(c+'h)-s(¿+k+1)

&:o k:o s(z)

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1.6 Modelos de supervivencia

Hemos visto en apartados anteriores que las probabilidades básicas de muerte ysupervivencia pueden calcula¡se con faciüdad a partir de la ley de mortalidad (otanto instantáneo de mortalidad) ¡.4r. Este hecho ha provocado que los estadísticosy demógrafás hayan ded.icado grand.es esfuerzos a la búsqueda de una ley de mor-talidad que sea víJida para cualquier población humana, quizás motivados por eléxito de las leyes físicas en la explicación de los fenómenos naturales. Este esfuerzoha resultado vano, y no.ha sido posible encontrar esa ley universal de mortalidad,que probablemente no erciste.

Por otra parte, los modernoJ oidenadores hacen posible calcular con facili-dad las citadas probabilidades b¿ísicas sin necesidad de conta¡ con dicha ley. Sin

(1.38)

Page 12: 1 Matematica de Los Seguros de Vida - Cap 1-Parte 1

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