Extremal properties of certain risk models

Cette thèse s'intéresse à étudier les propriétés extrémales de certains modèles de risque d'intérêt dans diverses applications de l'assurance, de la finance et des statistiques. Cette thèse se développe selon deux axes principaux, à savoir: Dans la première partie, nous nous concentrons sur deux modèles de risques univariés, c'est-à- dire, un modèle de risque de déflation et un modèle de risque de réassurance. Nous étudions le développement des queues de distribution sous certaines conditions des risques commun¬s. Les principaux résultats sont ainsi illustrés par des exemples typiques et des simulations numériques. Enfin, les résultats sont appliqués aux domaines des assurances, par exemple, les approximations de Value-at-Risk, d'espérance conditionnelle unilatérale etc. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à trois modèles à deux variables: Le premier modèle concerne la censure à deux variables des événements extrême. Pour ce modèle, nous proposons tout d'abord une classe d'estimateurs pour les coefficients de dépendance et la probabilité des queues de distributions. Ces estimateurs sont flexibles en raison d'un paramètre de réglage. Leurs distributions asymptotiques sont obtenues sous certaines condi¬tions lentes bivariées de second ordre. Ensuite, nous donnons quelques exemples et présentons une petite étude de simulations de Monte Carlo, suivie par une application sur un ensemble de données réelles d'assurance. L'objectif de notre deuxième modèle de risque à deux variables est l'étude de coefficients de dépendance des queues de distributions obliques et asymétriques à deux variables. Ces distri¬butions obliques et asymétriques sont largement utiles dans les applications statistiques. Elles sont générées principalement par le mélange moyenne-variance de lois normales et le mélange de lois normales asymétriques d'échelles, qui distinguent la structure de dépendance de queue comme indiqué par nos principaux résultats. Le troisième modèle de risque à deux variables concerne le rapprochement des maxima de séries triangulaires elliptiques obliques. Les résultats théoriques sont fondés sur certaines hypothèses concernant le périmètre aléatoire sous-jacent des queues de distributions. -- This thesis aims to investigate the extremal properties of certain risk models of interest in vari¬ous applications from insurance, finance and statistics. This thesis develops along two principal lines, namely: In the first part, we focus on two univariate risk models, i.e., deflated risk and reinsurance risk models. Therein we investigate their tail expansions under certain tail conditions of the common risks. Our main results are illustrated by some typical examples and numerical simu¬lations as well. Finally, the findings are formulated into some applications in insurance fields, for instance, the approximations of Value-at-Risk, conditional tail expectations etc. The second part of this thesis is devoted to the following three bivariate models: The first model is concerned with bivariate censoring of extreme events. For this model, we first propose a class of estimators for both tail dependence coefficient and tail probability. These estimators are flexible due to a tuning parameter and their asymptotic distributions are obtained under some second order bivariate slowly varying conditions of the model. Then, we give some examples and present a small Monte Carlo simulation study followed by an application on a real-data set from insurance. The objective of our second bivariate risk model is the investigation of tail dependence coefficient of bivariate skew slash distributions. Such skew slash distributions are extensively useful in statistical applications and they are generated mainly by normal mean-variance mixture and scaled skew-normal mixture, which distinguish the tail dependence structure as shown by our principle results. The third bivariate risk model is concerned with the approximation of the component-wise maxima of skew elliptical triangular arrays. The theoretical results are based on certain tail assumptions on the underlying random radius.

Tests for sex-biased dispersal using bi-parentally inherited genetic markers.

Understanding why dispersal is sex-biased in many taxa is still a major concern in evolutionary ecology. Dispersal tends to be male-biased in mammals and female-biased in birds, but counter-examples exist and little is known about sex bias in other taxa. Obtaining accurate measures of dispersal in the field remains a problem. Here we describe and compare several methods for detecting sex-biased dispersal using bi-parentally inherited, codominant genetic markers. If gene flow is restricted among populations, then the genotype of an individual tells something about its origin. Provided that dispersal occurs at the juvenile stage and that sampling is carried out on adults, genotypes sampled from the dispersing sex should on average be less likely (compared to genotypes from the philopatric sex) in the population in which they were sampled. The dispersing sex should be less genetically structured and should present a larger heterozygote deficit. In this study we use computer simulations and a permutation test on four statistics to investigate the conditions under which sex-biased dispersal can be detected. Two tests emerge as fairly powerful. We present results concerning the optimal sampling strategy (varying number of samples, individuals, loci per individual and level of polymorphism) under different amounts of dispersal for each sex. These tests for biases in dispersal are also appropriate for any attribute (e.g. size, colour, status) suspected to influence the probability of dispersal. A windows program carrying out these tests can be freely downloaded from http://www.unil.ch/izea/softwares/fstat.html

DNA supercoiling inhibits DNA knotting.

Despite the fact that in living cells DNA molecules are long and highly crowded, they are rarely knotted. DNA knotting interferes with the normal functioning of the DNA and, therefore, molecular mechanisms evolved that maintain the knotting and catenation level below that which would be achieved if the DNA segments could pass randomly through each other. Biochemical experiments with torsionally relaxed DNA demonstrated earlier that type II DNA topoisomerases that permit inter- and intramolecular passages between segments of DNA molecules use the energy of ATP hydrolysis to select passages that lead to unknotting rather than to the formation of knots. Using numerical simulations, we identify here another mechanism by which topoisomerases can keep the knotting level low. We observe that DNA supercoiling, such as found in bacterial cells, creates a situation where intramolecular passages leading to knotting are opposed by the free-energy change connected to transitions from unknotted to knotted circular DNA molecules.

Numerical analysis of wave-induced fluid flow effects on seismic data: Application to monitoring of CO2 storage at the Sleipner Field

In this work we analyze how patchy distributions of CO2 and brine within sand reservoirs may lead to significant attenuation and velocity dispersion effects, which in turn may have a profound impact on surface seismic data. The ultimate goal of this paper is to contribute to the understanding of these processes within the framework of the seismic monitoring of CO2 sequestration, a key strategy to mitigate global warming. We first carry out a Monte Carlo analysis to study the statistical behavior of attenuation and velocity dispersion of compressional waves traveling through rocks with properties similar to those at the Utsira Sand, Sleipner field, containing quasi-fractal patchy distributions of CO2 and brine. These results show that the mean patch size and CO2 saturation play key roles in the observed wave-induced fluid flow effects. The latter can be remarkably important when CO2 concentrations are low and mean patch sizes are relatively large. To analyze these effects on the corresponding surface seismic data, we perform numerical simulations of wave propagation considering reservoir models and CO2 accumulation patterns similar to the CO2 injection site in the Sleipner field. These numerical experiments suggest that wave-induced fluid flow effects may produce changes in the reservoir's seismic response, modifying significantly the main seismic attributes usually employed in the characterization of these environments. Consequently, the determination of the nature of the fluid distributions as well as the proper modeling of the seismic data constitute important aspects that should not be ignored in the seismic monitoring of CO2 sequestration problems.

Characterisation of the PSI whole body counter by radiographic imaging.

A joint project between the Paul Scherrer Institut (PSI) and the Institute of Radiation Physics was initiated to characterise the PSI whole body counter in detail through measurements and Monte Carlo simulation. Accurate knowledge of the detector geometry is essential for reliable simulations of human body phantoms filled with known activity concentrations. Unfortunately, the technical drawings provided by the manufacturer are often not detailed enough and sometimes the specifications do not agree with the actual set-up. Therefore, the exact detector geometry and the position of the detector crystal inside the housing were determined through radiographic images. X-rays were used to analyse the structure of the detector, and (60)Co radiography was employed to measure the core of the germanium crystal. Moreover, the precise axial alignment of the detector within its housing was determined through a series of radiographic images with different incident angles. The hence obtained information enables us to optimise the Monte Carlo geometry model and to perform much more accurate and reliable simulations.

Seismic characterization of heterogeneous sedimentary and fractured rocks based on Biot's theory of poroelasticity

Understanding and quantifying seismic energy dissipation, which manifests itself in terms of velocity dispersion and attenuation, in fluid-saturated porous rocks is of considerable interest, since it offers the perspective of extracting information with regard to the elastic and hydraulic rock properties. There is increasing evidence to suggest that wave-induced fluid flow, or simply WIFF, is the dominant underlying physical mechanism governing these phenomena throughout the seismic, sonic, and ultrasonic frequency ranges. This mechanism, which can prevail at the microscopic, mesoscopic, and macroscopic scale ranges, operates through viscous energy dissipation in response to fluid pressure gradients and inertial effects induced by the passing wavefield. In the first part of this thesis, we present an analysis of broad-band multi-frequency sonic log data from a borehole penetrating water-saturated unconsolidated glacio-fluvial sediments. An inherent complication arising in the interpretation of the observed P-wave attenuation and velocity dispersion is, however, that the relative importance of WIFF at the various scales is unknown and difficult to unravel. An important generic result of our work is that the levels of attenuation and velocity dispersion due to the presence of mesoscopic heterogeneities in water-saturated unconsolidated clastic sediments are expected to be largely negligible. Conversely, WIFF at the macroscopic scale allows for explaining most of the considered data while refinements provided by including WIFF at the microscopic scale in the analysis are locally meaningful. Using a Monte-Carlo-type inversion approach, we compare the capability of the different models describing WIFF at the macroscopic and microscopic scales with regard to their ability to constrain the dry frame elastic moduli and the permeability as well as their local probability distribution. In the second part of this thesis, we explore the issue of determining the size of a representative elementary volume (REV) arising in the numerical upscaling procedures of effective seismic velocity dispersion and attenuation of heterogeneous media. To this end, we focus on a set of idealized synthetic rock samples characterized by the presence of layers, fractures or patchy saturation in the mesocopic scale range. These scenarios are highly pertinent because they tend to be associated with very high levels of velocity dispersion and attenuation caused by WIFF in the mesoscopic scale range. The problem of determining the REV size for generic heterogeneous rocks is extremely complex and entirely unexplored in the given context. In this pilot study, we have therefore focused on periodic media, which assures the inherent self- similarity of the considered samples regardless of their size and thus simplifies the problem to a systematic analysis of the dependence of the REV size on the applied boundary conditions in the numerical simulations. Our results demonstrate that boundary condition effects are absent for layered media and negligible in the presence of patchy saturation, thus resulting in minimum REV sizes. Conversely, strong boundary condition effects arise in the presence of a periodic distribution of finite-length fractures, thus leading to large REV sizes. In the third part of the thesis, we propose a novel effective poroelastic model for periodic media characterized by mesoscopic layering, which accounts for WIFF at both the macroscopic and mesoscopic scales as well as for the anisotropy associated with the layering. Correspondingly, this model correctly predicts the existence of the fast and slow P-waves as well as quasi and pure S-waves for any direction of wave propagation as long as the corresponding wavelengths are much larger than the layer thicknesses. The primary motivation for this work is that, for formations of intermediate to high permeability, such as, for example, unconsolidated sediments, clean sandstones, or fractured rocks, these two WIFF mechanisms may prevail at similar frequencies. This scenario, which can be expected rather common, cannot be accounted for by existing models for layered porous media. Comparisons of analytical solutions of the P- and S-wave phase velocities and inverse quality factors for wave propagation perpendicular to the layering with those obtained from numerical simulations based on a ID finite-element solution of the poroelastic equations of motion show very good agreement as long as the assumption of long wavelengths remains valid. A limitation of the proposed model is its inability to account for inertial effects in mesoscopic WIFF when both WIFF mechanisms prevail at similar frequencies. Our results do, however, also indicate that the associated error is likely to be relatively small, as, even at frequencies at which both inertial and scattering effects are expected to be at play, the proposed model provides a solution that is remarkably close to its numerical benchmark. -- Comprendre et pouvoir quantifier la dissipation d'énergie sismique qui se traduit par la dispersion et l'atténuation des vitesses dans les roches poreuses et saturées en fluide est un intérêt primordial pour obtenir des informations à propos des propriétés élastique et hydraulique des roches en question. De plus en plus d'études montrent que le déplacement relatif du fluide par rapport au solide induit par le passage de l'onde (wave induced fluid flow en anglais, dont on gardera ici l'abréviation largement utilisée, WIFF), représente le principal mécanisme physique qui régit ces phénomènes, pour la gamme des fréquences sismiques, sonique et jusqu'à l'ultrasonique. Ce mécanisme, qui prédomine aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique, est lié à la dissipation d'énergie visqueuse résultant des gradients de pression de fluide et des effets inertiels induits par le passage du champ d'onde. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons une analyse de données de diagraphie acoustique à large bande et multifréquences, issues d'un forage réalisé dans des sédiments glaciaux-fluviaux, non-consolidés et saturés en eau. La difficulté inhérente à l'interprétation de l'atténuation et de la dispersion des vitesses des ondes P observées, est que l'importance des WIFF aux différentes échelles est inconnue et difficile à quantifier. Notre étude montre que l'on peut négliger le taux d'atténuation et de dispersion des vitesses dû à la présence d'hétérogénéités à l'échelle mésoscopique dans des sédiments clastiques, non- consolidés et saturés en eau. A l'inverse, les WIFF à l'échelle macroscopique expliquent la plupart des données, tandis que les précisions apportées par les WIFF à l'échelle microscopique sont localement significatives. En utilisant une méthode d'inversion du type Monte-Carlo, nous avons comparé, pour les deux modèles WIFF aux échelles macroscopique et microscopique, leur capacité à contraindre les modules élastiques de la matrice sèche et la perméabilité ainsi que leur distribution de probabilité locale. Dans une seconde partie de cette thèse, nous cherchons une solution pour déterminer la dimension d'un volume élémentaire représentatif (noté VER). Cette problématique se pose dans les procédures numériques de changement d'échelle pour déterminer l'atténuation effective et la dispersion effective de la vitesse sismique dans un milieu hétérogène. Pour ce faire, nous nous concentrons sur un ensemble d'échantillons de roches synthétiques idéalisés incluant des strates, des fissures, ou une saturation partielle à l'échelle mésoscopique. Ces scénarios sont hautement pertinents, car ils sont associés à un taux très élevé d'atténuation et de dispersion des vitesses causé par les WIFF à l'échelle mésoscopique. L'enjeu de déterminer la dimension d'un VER pour une roche hétérogène est très complexe et encore inexploré dans le contexte actuel. Dans cette étude-pilote, nous nous focalisons sur des milieux périodiques, qui assurent l'autosimilarité des échantillons considérés indépendamment de leur taille. Ainsi, nous simplifions le problème à une analyse systématique de la dépendance de la dimension des VER aux conditions aux limites appliquées. Nos résultats indiquent que les effets des conditions aux limites sont absents pour un milieu stratifié, et négligeables pour un milieu à saturation partielle : cela résultant à des dimensions petites des VER. Au contraire, de forts effets des conditions aux limites apparaissent dans les milieux présentant une distribution périodique de fissures de taille finie : cela conduisant à de grandes dimensions des VER. Dans la troisième partie de cette thèse, nous proposons un nouveau modèle poro- élastique effectif, pour les milieux périodiques caractérisés par une stratification mésoscopique, qui prendra en compte les WIFF à la fois aux échelles mésoscopique et macroscopique, ainsi que l'anisotropie associée à ces strates. Ce modèle prédit alors avec exactitude l'existence des ondes P rapides et lentes ainsi que les quasis et pures ondes S, pour toutes les directions de propagation de l'onde, tant que la longueur d'onde correspondante est bien plus grande que l'épaisseur de la strate. L'intérêt principal de ce travail est que, pour les formations à perméabilité moyenne à élevée, comme, par exemple, les sédiments non- consolidés, les grès ou encore les roches fissurées, ces deux mécanismes d'WIFF peuvent avoir lieu à des fréquences similaires. Or, ce scénario, qui est assez commun, n'est pas décrit par les modèles existants pour les milieux poreux stratifiés. Les comparaisons des solutions analytiques des vitesses des ondes P et S et de l'atténuation de la propagation des ondes perpendiculaires à la stratification, avec les solutions obtenues à partir de simulations numériques en éléments finis, fondées sur une solution obtenue en 1D des équations poro- élastiques, montrent un très bon accord, tant que l'hypothèse des grandes longueurs d'onde reste valable. Il y a cependant une limitation de ce modèle qui est liée à son incapacité à prendre en compte les effets inertiels dans les WIFF mésoscopiques quand les deux mécanismes d'WIFF prédominent à des fréquences similaires. Néanmoins, nos résultats montrent aussi que l'erreur associée est relativement faible, même à des fréquences à laquelle sont attendus les deux effets d'inertie et de diffusion, indiquant que le modèle proposé fournit une solution qui est remarquablement proche de sa référence numérique.