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Scenario Weights for Importance Measurement An R Package for Sensitivity Analysis Andreas Tsanakas joint work with Alberto Bettini, Pietro Millossovich and Silvana Pesenti https://github.com/spesenti/SWIM Actuarial Teachers’ and Researchers’ Conference University of Liverpool, 27-28 June 2019

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Page 1: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Scenario Weights for Importance Measurement

An R Package for Sensitivity Analysis

Andreas Tsanakas

joint work with Alberto Bettini, Pietro Millossovich and Silvana Pesenti

https://github.com/spesenti/SWIM

Actuarial Teachers’ and Researchers’ Conference

University of Liverpool, 27-28 June 2019

Page 2: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Motivation

Complex quantitative models

• Capital modelling and beyond

• Granularity v opaqueness

Questions

• Which parts of the portfolio drive performance?

• Where do model-risk vulnerabilities lie?

Sensitivity analysis

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 1

Page 3: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Motivation

Complex quantitative models

• Capital modelling and beyond

• Granularity v opaqueness

Questions

• Which parts of the portfolio drive performance?

• Where do model-risk vulnerabilities lie?

Sensitivity analysis

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 1

Page 4: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Motivation

Complex quantitative models

• Capital modelling and beyond

• Granularity v opaqueness

Questions

• Which parts of the portfolio drive performance?

• Where do model-risk vulnerabilities lie?

Sensitivity analysis

• Repeated model runs

• What to do with the results?

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 1

Page 5: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Motivation

Complex quantitative models

• Capital modelling and beyond

• Granularity v opaqueness

Questions

• Which parts of the portfolio drive performance?

• Where do model-risk vulnerabilities lie?

Sensitivity analysis

• Repeated model runs Single model run

• What to do with the results? Consistent sensitivity measurement

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 1

Page 6: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Overview

Example

Scenario Weights

The SWIM package in R

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 2

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Example

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A non-linear insurance portfolio

Portfolio consisting of

• Two lines of business

• Same multiplicative factor, e.g. inflation

• Reinsurance layer on the portfolio

• Reinsurance company can default

Input risk factors Output

X1 Claims from 1st LoB Y Portfolio loss

X2 Claims from 2nd LoB

X3 Multiplicative factor

X4 % of RI recovery lost

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 3

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A non-linear insurance portfolio

Portfolio consisting of

• Two lines of business

• Same multiplicative factor, e.g. inflation

• Reinsurance layer on the portfolio

• Reinsurance company can default

Input risk factors Output

X1 Claims from 1st LoB Y Portfolio loss

X2 Claims from 2nd LoB

X3 Multiplicative factor

X4 % of RI recovery lost

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 3

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• What if the portfolio VaR was 5% higher

than in the current model?

• How would input factors reflect that

change?

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 3

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• What if the portfolio VaR was 5% higher

than in the current model?

• How would input factors reflect that

change?

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 3

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Distribution of portfolio loss

250 300 350 400 450 500 550

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Y

VaR

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 4

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Distribution of portfolio loss

250 300 350 400 450 500 550

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Y

VaR1.05 * VaR

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 5

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Distribution of portfolio loss

250 300 350 400 450 500 550

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Y

VaR1.05 * VaR

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 6

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Distribution of portfolio loss

250 300 350 400 450 500 550

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Y

VaR1.05 * VaR

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 7

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Distribution of portfolio loss

250 300 350 400 450 500 550

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Y

VaR1.05 * VaR

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 8

Page 17: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Distribution of portfolio loss

250 300 350 400 450 500 550

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Y

VaR1.05 * VaR

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 9

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Scenario Weights

Page 19: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Constructing scenario weights

1. Define a stress on a random variable (risk factor or output) as a

change in the value of a risk measure

- Value-at-Risk, Expected Shortfall (TVAR)

- Moments, probabilities, covariances

2. Derive scenario weights (change of measure) such that

- re-weighted output fulfills the required stress

- most plausible / least distorting, by minimising relative entropy

B Typically we have a Monte Carlo sample and work with the empirical

distribution.

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 10

Page 20: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Constructing scenario weights

1. Define a stress on a random variable (risk factor or output) as a

change in the value of a risk measure

- Value-at-Risk, Expected Shortfall (TVAR)

- Moments, probabilities, covariances

2. Derive scenario weights (change of measure) such that

- re-weighted output fulfills the required stress

- most plausible / least distorting, by minimising relative entropy

B Typically we have a Monte Carlo sample and work with the empirical

distribution.

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 10

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Literature

Stressing moments:

• [Csiszar, 1975]

Stressing VaR and ES:

• [Pesenti et al., 2019]

See also:

• [Weber, 2007], [Glasserman & Liu, 2010], [Breuer et al., 2012]

[McNeil & Smith, 2012], [Cambou & Filipovic, 2017]

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 11

Page 22: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Scenario weights for a stress on VaR

Prob(Scenario i | high Y )

Prob(Scenario i | low Y )= 4.10

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 12

Page 23: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Scenario weights for a stress on VaR and TVaR

Y

scen

ario

wei

ghts

200 250 300 350 400 450 500 550

02

46

810

10% increase in VaR, 13% increase in TVaR

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 13

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Insurance portfolio - Output

Stress VaR by 10% and TVaR by 13%, at level 0.95

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●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

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●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

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Baseline ModelStressed Model

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Insurance portfolio - Inputs

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X4

empi

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Insurance portfolio - statistics

X1 X2 X3 X4 Y

Mean 150 200 1.05 0.10 362

Mean, stressed 157 202 1.05 0.14 371

Relative increase 5% 1% 0% 44% 3%

Standard deviation 35 20 0.02 0.20 36

Standard deviation, stressed 43 21 0.02 0.26 50

Relative increase 25% 5% 1% 30% 38%

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 16

Page 27: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

A sensitivity measure

Sensitivity measure for input risk factor Xi

Γi =Estressed(Xi)− E(Xi)

normalised

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 17

Page 28: @let@token Scenario @let@token Weights for @let@token ... · Constructing scenario weights 1.De ne a stress on a random variable (risk factor or output) as a change in the value of

Real-data example

Distribution of the portfolio loss (blue) and after re-weighting (red).

0.5 1.0 1.5 2.0

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Real-data example

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Input risk factor

Sen

sitiv

ity m

easu

re

1835

3 4712

5938 68 58

4 1634

52 69 1

41 2 61 5 40 6727 44 31 32 24 50 23 66

45 2557 15 8 22 65 64 43 17 21 60 28 13 29 39 20 55 46

9 42 1030 14 7 63 54

51

62

53 7071 36 49

72

1937 48

633 11 56

26

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 19

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The SWIM package in R

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State of play

Current location of the package:

• https://github.com/spesenti/SWIM

install github("spesenti/SWIM")

Coming soon

• CRAN & vignette

From the editors of the Annals of Actuarial Science

• Special issue on Insurance Data Science

https://www.cambridge.org/core/journals/

annals-of-actuarial-science/information/call-for-papers

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State of play

Current location of the package:

• https://github.com/spesenti/SWIM

install github("spesenti/SWIM")

Coming soon

• CRAN & vignette

From the editors of the Annals of Actuarial Science

• Special issue on Insurance Data Science

https://www.cambridge.org/core/journals/

annals-of-actuarial-science/information/call-for-papers

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Stress

stress(type = c("VaR", "VaR ES", "mean", "mean

sd", "moment", "prob", "user"), ...)

stress(type = "VaR", x, alpha = c(0.75, 0.9),

q ratio = c(1.2, 1.2), k = 1)

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Stress

stress(type = c("VaR", "VaR ES", "mean", "mean

sd", "moment", "prob", "user"), ...)

stress(type = "VaR", x, alpha = c(0.75, 0.9),

q ratio = c(1.2, 1.2), k = 1)

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 21

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Plotting

plot cdf()

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

−500 0 500 1000 1500

Y

ecdf

stress 1

stress 2

base

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Plotting

plot hist()

0

2500

5000

7500

10000

12500

−500 0 500 1000 1500

Y

hist

ogra

m stress 1

stress 2

base

SWIM - An R Package for Sensitivity Analysis 23

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Statistics

summary()

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Sensitivity Measures

sensitivity() importance rank() plot sensitivity()

●●

0.75

0.77

0.79

0.81

X1 X2 X3 X4 X5

sens

itivi

ty

stress 1

stress 2

● Gamma

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