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.

Ecotoxicological approaches to assess the long-term effects of four anticancer drugs and metabolites on Daphnia pulex

The aquatic environment is exposed continuously and increasingly to chemical substances such as pharmaceuticals. These medical compounds are released into the environment after having being consumed and body-excreted by patients. Pharmaceutical residues are synthetic molecules that are not always removed by traditional sewage treatment processes and thus escape degradation. Among pharmaceuticals that escape sewage treatment plants (STPs), the anticancer drugs were measured in STP effluents and natural waters. In the aquatic environment, their long-term effects at low concentrations are sparsely known on non-target species. Tamoxifen is an anticancer drug that is widely prescribed worldwide for the prevention and treatment of hormone receptor-positive breast cancers. Two of its metabolites, i.e., endoxifen and 4-hydroxy- tamoxifen (4OHTam), have high pharmacological potency in vivo and such as tamoxifen, they are excreted via faeces by patients. Tamoxifen was measured in STP effluents and natural waters but, to the best of our knowledge, its metabolites concentrations in waters have never been reported. Imatinib is another and recent anticancer compound that targets specific tumour cells. This pharmaceutical is also body excreted and because of its increasing use in cancer treatment, imatinib may reach the natural water. The effects of tamoxifen and imatinib are unknown upon more than one generation of aquatic species. And the effects of 4OHTam, endoxifen have never been studied in ecotoxicology so far. The aims of this thesis were threefold. First, the sensitivity of D. pulex exposed to tamoxifen, 4OHTam, endoxifen or imatinib was assessed using ecotoxicological experiments. Ecotoxicology is the science that considers the toxic effects of natural or synthetic substances, such as pharmaceuticals, on organisms, populations, community and ecosystem. Acute and multigenerational (2-4 generations) tests were performed on daphnids considering several studied endpoints, such as immobilisation, size, reproduction, viability and intrinsic rate of natural increase. Additional prospective assays were designed to evaluate whether 1) low concentrations of tamoxifen and 4OHTam were able to induce toxic effects when used in combination, and 2) daphnids were able to recover when offspring were withdrawn from solutions carrying the pharmaceutical. Second, the stability of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen in incubation medium was evaluated in solution exempted from daphnids. Because the nominal concentrations of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen did not correspond to the measured, we provide a predictive method to estimate the concentrations of these chemicals during long-term ecotoxicological tests. Finally, changes in protein expressions were analysed in D. pulex exposed 2 or 7 seven days to tamoxifen using ecotoxicoproteomic experiments with a shot-gun approach inducing a peptide fractionation step. Our results show that tamoxifen, 4OHTam and endoxifen induced adverse effects in D. pulex at environmentally relevant concentrations. At very low concentrations, these molecules displayed unusual and teratogenic effects because morphological abnormalities were observed in offspring, such as thick and short antennas, curved spines, premature neonates and aborted eggs. Tamoxifen was the most toxic compound among the test chemicals, followed by 4OHTam, endoxifen and imatinib. Tamoxifen no-observed effect concentrations (NOECs) that were calculated for size, reproduction and intrinsic rate were below or in the range of the concentrations measured in natural waters, i.e., between 0.12 µg/L and 0.67 µg/L. For instance, the tamoxifen NOECs that were calculated for reproduction were between 0.67 and 0.72 µg/L, whereas the NOEC was < 0.15 µg/L when based on morphological abnormalities. The NOECs of 4OHTam were higher but still in the same order of magnitude as tamoxifen environmental concentrations, with a value of 1.48 µg/L. Endoxifen NOEC for the intrinsic rate of natural increase (r) and the reproduction were 0.4 and 4.3 µg/L, respectively. Daphnids that were withdrawn from tamoxifen and 4OHTam were not able to recover. Also, the reproduction of D. pulex was reduced when the treated animals were exposed to the combination of tamoxifen and 4OHTam while no effects were observed when these chemicals were tested individually at the same concentration. Among the anticancer drugs that were tested during this thesis, imatinib was the less toxic molecule towards D. pulex. No effects on size and reproduction were observed within two generations, except for the first whose reproduction decreased at the highest test concentration, i.e., 626 µg/L. Our results also underline the need to use measured or predicted concentrations instead of the nominal during aquatic experiments, particularly when lipophilic molecules are tested. Indeed, notable differences between nominal (i.e., theoretical) and measured concentrations were found with tamoxifen, 4OHTam and endoxifen at all test concentrations. A cost and time sustainable method was proposed to predict the test exposure levels of these chemicals during long-term experiments. This predictive method was efficient particularly for low concentrations, which corresponded to the test concentrations in multigenerational tests. In the ecotoxicoproteomic experiments a total of 3940 proteins were identified and quantified in D. pulex exposed to tamoxifen. These results are currently the largest dataset from D. pulex that is published and the results of proteomic analyses are available for the scientific community. Among these 3940 proteins, 189 were significantly different from controls. After protein annotation, we assumed that treated daphnids with tamoxifen had shifted cost-energy functions, such as reproduction, to maintain their basic metabolism necessary to survive. This metabolic cost hypothesis was supported by the presence of proteins involved in oxidative stress. Biomarkers for early detection of tamoxifen harmful effects on D. pulex were not discovered but the proteins of the vitellogenin-2 family (E9H8K5) and the ryanodine receptor (E9FTU9) are promising potential biomarkers because their expression was already modified after 2 days of treatment. In this thesis, the effects of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen on daphnids raise questions about the potential impact of tamoxifen and 4OHTam in other aquatic ecosystems, and therefore, about metabolites in ecotoxicology. Because the NOECs were environmentally relevant, these results suggest that tamoxifen and 4OHTam may be interesting pharmaceuticals to consider in risk assessment. Our findings also emphasize the importance of performing long-term experiments and of considering multi-endpoints instead of the standard reproductive endpoint. Finally, we open the discussion about the importance to measure test exposures or not, during ecotoxicological studies. -- Les milieux aquatiques sont exposés continuellement à un nombre croissant de substances chimiques, notamment les médicaments issus de la médecine vétérinaire et humaine. Chez les patients, les substances administrées sont utilisées par le corps avant d'être éliminées par l'intermédiaire des excrétas dans le système d'eaux usées de la ville. Ces eaux rejoignent ensuite une station de traitement afin d'y éliminer les déchets. Dans le cas des molécules chimiques, il arrive que les processus de traitement d'eaux usées ne soient pas suffisamment efficaces et que ces molécules ne soient pas dégradées. Elles sont alors libérées dans le milieu aquatique avec les effluents de la station d'épuration. Une fois dans l'environnement, ces résidus de médicaments sont susceptibles d'induire des effets sur la faune et la flore aquatique, dont les conséquences à long terme et à faibles concentrations sont peu connues. Les anticancéreux sont une famille de médicaments qui peuvent échapper aux traitements des stations d'épuration et qui sont retrouvées dans le milieu aquatique naturel. Parmi ces substances, le tamoxifen est une molécule utilisée dans le monde entier pour prévenir et traiter les cancers hormonaux dépendant du sein, notamment. Une fois ingéré, le tamoxifen est transformé par le foie en métabolites dont deux d'entre eux, le 4-hydroxy-tamoxifen (4OHTam) et l'endoxifen, possèdent un affinité pour les récepteurs aux estrogènes et une efficacité sur les cellules tumorales supérieure au tamoxifen lui- même. Tout comme la molécule mère, ces métabolites sont principalement éliminés par l'intermédiaire des fèces. Le tamoxifen a déjà été mesuré dans les effluents de stations d'épuration et dans les eaux naturelles, mais aucune valeur n'a été reportée pour ses métabolites jusqu'à présent. Un autre anticancéreux, également éliminé par voie biliaire et susceptible d'atteindre l'environnement, est l'imatinib. Cette récente molécule a révolutionné le traitement et la survie des patients souffrant de leucémie myéloïde chronique et de tumeur stromales gastrointestinales. Les effets du tamoxifen et de l'imatinib sur plusieurs générations d'organismes aquatiques, tels que les microcrustacés Daphnia, sont inconnus et le 4OHTam et l'endoxifen n'ont même jamais été testés en écotoxicologie. Cette thèse s'est articulée autour de trois objectifs principaux. Premièrement, la sensibilité des D. pulex exposés au tamoxifen, 4OHTam, endoxifen et imatinib a été évaluée par l'intermédiaire de tests aigus et de tests sur deux à quatre générations. La mobilité, la taille, la reproduction, la viabilité et la croissance potentielle de la population ont été relevées au cours de ces expériences. Des tests supplémentaires, à but prospectifs, ont également été réalisés afin d'évaluer 1) la capacité de récupération des daphnies, lorsque leurs descendants ont été placés dans un milieu exempté de tamoxifen ou de 4OHTam, 2) les effets chez les daphnies exposées à une solution contenant de faibles concentration de tamoxifen et de 4OHTam mélangés. Le deuxième objectif a été d'évaluer la stabilité du tamoxifen, 4OHTam et endoxifen dilué dans le milieu des daphnies. Après analyses, les concentrations mesurées ne correspondaient pas aux concentrations nominales (c.-à-d., théoriques) et il a été nécessaire de développer une méthode efficace de prédiction des niveaux d'exposition lors de tests de longue durée réalisés avec ces trois molécules. Finalement, des changements dans l'expression des protéines chez des daphnies exposées au tamoxifen ont été investigués par l'intermédiaire d'expériences écotoxicoprotéomiques avec une approche dite de shot-gun avec une étape de fractionnement des protéines. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que le tamoxifen, le 4OHTam et l'endoxifen induisent des effets indésirables chez les daphnies à des niveaux d'exposition proches ou identiques aux concentrations du tamoxifen mesurées dans l'environnement, c'est-à-dire 0.12 et 0.67 µg/L de tamoxifen. Ces molécules ont induit des effets inhabituels tels que la production de : nouveau-nés anormaux, avec des antennes et des queues déformées, des prématurés et des oeufs avortés. Le tamoxifen fut la molécule la plus toxique pour les D. pulex suivie du 4OHTam, de l'endoxifen et enfin de l'imatinib. Lors des expériences sur plusieurs générations, les concentrations n'ayant statistiquement pas d'effet (c.à.d. NOEC en anglais) sur la taille, la reproduction et la croissance intrinsèque de la population étaient du même ordre de grandeur que les concentrations environnementales du tamoxifen. Par exemple, les NOECs du tamoxifen calculées pour la reproduction étaient de 0.67 et 0.72 µg/L, tandis que celle calculée sur la base des anomalies chez les nouveau-nés était < 0.15 µg/L. Les NOECs du 4OHTam se situaient entre 0.16 et 1.48 µg/L et celles de l'endoxifen pour la croissance intrinsèque de la population, ainsi que pour la reproduction, étaient de 0.4 et 4.3 µg/L, respectivement. Dans l'expérience basée sur la récupération des daphnies, la taille et la reproduction ont diminué bien que la descendance fût placée dans un milieu sans substances chimiques. Les daphnies exposées au mélange de tamoxifen et de 4OHTam ont produit moins de nouveau-nés que les contrôles, alors que ces concentrations n'ont pas induit d'effets lorsque testées individuellement. Finalement, l'imatinib n'a pas montré d'effets sur les deux générations testées. Seule la première génération exposée à la plus haute concentration (626 µg/L) a montré une diminution de la reproduction. Les résultats obtenus lors de l'évaluation de la stabilité du tamoxifen, 4OHTam et endoxifen dans le milieu des daphnies ont souligné l'importance d'utiliser des concentrations mesurées ou prédites en écotoxicologie. En effet, des différences notables entre concentrations nominales et mesurées ont été observées à toutes les concentrations et l'hypothèse d'un phénomène d'adsorption sur le verre des récipients a été posée. De ce fait, il a été nécessaire d'élaborer une méthode prédictive efficace et acceptable, en terme de temps et de coûts. Une régression polynomiale basée sur des concentrations mesurées et nominales a permis de prédire avec efficacité les faibles niveaux d'exposition utilisés lors d'expériences écotoxicologiques à long terme, sur plusieurs générations. Suite aux expériences d'écotoxicoprotéomiques, un total de 3940 protéines ont été identifiées et quantifiées chez des daphnies exposées au tamoxifen. Ce nombre est actuellement la plus large série de données publiées et mises à disposition pour la communauté scientifique. Parmi ces protéines, 189 sont significatives et possiblement reliées à des processus de reproduction et de stress. Sur cette base, nous avons émis l'hypothèse que les individus subissant un stress, lié à l'exposition au tamoxifen, ont utilisé leur énergie de base pour favoriser leur survie plutôt que la reproduction. Enfin, la détermination de bio-marqueurs exprimant des dommages précoces des daphnies exposées au tamoxifen n'a pas abouti en tant que telle, mais des protéines prometteuses, telle que la famille de viellogenin-2 (E9H8K5) et le récepteur à la ryanodine (E9FTU9), ont été exprimées après deux jours d'exposition déjà. Ces protéines pourraient faire l'objet d'investigations écotoxicoprotéomiques futures. Les résultats de cette thèse posent certaines questions quant au risque du tamoxifen, du 4OHTam et de l'endoxifen sur la faune et la flore aquatique et plus particulièrement sur les anticancéreux présents dans l'environnement. Les effets toxiques de ces molécules ont été observés à des concentrations environnementales et sur plusieurs générations. La question de considérer les métabolites, et ainsi les pro-médicaments, en écotoxicologie est soulevée, notamment parce que ces molécules peuvent être plus actives et efficaces que la molécule mère. Les expériences chroniques, sur plusieurs générations sont également à favoriser car elles offrent un meilleur reflet de la réalité environnementale que des essais aigus ou d'une génération. L'utilisation de la protéomique permet d'agrandir les connaissances sur les effets des médicaments à un niveau inférieur de l'organisation biologique et ainsi, de mieux comprendre de potentiels mécanismes d'action ou de déterminer de potentiels biomarqueurs. Finalement, il semble important de discuter de l'opportunité de mesurer les concentrations qui sont testées en écotoxicologie afin de ne pas sous-estimer le risque pour la faune et la flore aquatique.

Behavioural queueing : cellular automata and a laboratory experiment

Dans cette thèse, nous étudions les aspects comportementaux d'agents qui interagissent dans des systèmes de files d'attente à l'aide de modèles de simulation et de méthodologies expérimentales. Chaque période les clients doivent choisir un prestataire de servivce. L'objectif est d'analyser l'impact des décisions des clients et des prestataires sur la formation des files d'attente. Dans un premier cas nous considérons des clients ayant un certain degré d'aversion au risque. Sur la base de leur perception de l'attente moyenne et de la variabilité de cette attente, ils forment une estimation de la limite supérieure de l'attente chez chacun des prestataires. Chaque période, ils choisissent le prestataire pour lequel cette estimation est la plus basse. Nos résultats indiquent qu'il n'y a pas de relation monotone entre le degré d'aversion au risque et la performance globale. En effet, une population de clients ayant un degré d'aversion au risque intermédiaire encoure généralement une attente moyenne plus élevée qu'une population d'agents indifférents au risque ou très averses au risque. Ensuite, nous incorporons les décisions des prestataires en leur permettant d'ajuster leur capacité de service sur la base de leur perception de la fréquence moyenne d'arrivées. Les résultats montrent que le comportement des clients et les décisions des prestataires présentent une forte "dépendance au sentier". En outre, nous montrons que les décisions des prestataires font converger l'attente moyenne pondérée vers l'attente de référence du marché. Finalement, une expérience de laboratoire dans laquelle des sujets jouent le rôle de prestataire de service nous a permis de conclure que les délais d'installation et de démantèlement de capacité affectent de manière significative la performance et les décisions des sujets. En particulier, les décisions du prestataire, sont influencées par ses commandes en carnet, sa capacité de service actuellement disponible et les décisions d'ajustement de capacité qu'il a prises, mais pas encore implémentées. - Queuing is a fact of life that we witness daily. We all have had the experience of waiting in line for some reason and we also know that it is an annoying situation. As the adage says "time is money"; this is perhaps the best way of stating what queuing problems mean for customers. Human beings are not very tolerant, but they are even less so when having to wait in line for service. Banks, roads, post offices and restaurants are just some examples where people must wait for service. Studies of queuing phenomena have typically addressed the optimisation of performance measures (e.g. average waiting time, queue length and server utilisation rates) and the analysis of equilibrium solutions. The individual behaviour of the agents involved in queueing systems and their decision making process have received little attention. Although this work has been useful to improve the efficiency of many queueing systems, or to design new processes in social and physical systems, it has only provided us with a limited ability to explain the behaviour observed in many real queues. In this dissertation we differ from this traditional research by analysing how the agents involved in the system make decisions instead of focusing on optimising performance measures or analysing an equilibrium solution. This dissertation builds on and extends the framework proposed by van Ackere and Larsen (2004) and van Ackere et al. (2010). We focus on studying behavioural aspects in queueing systems and incorporate this still underdeveloped framework into the operations management field. In the first chapter of this thesis we provide a general introduction to the area, as well as an overview of the results. In Chapters 2 and 3, we use Cellular Automata (CA) to model service systems where captive interacting customers must decide each period which facility to join for service. They base this decision on their expectations of sojourn times. Each period, customers use new information (their most recent experience and that of their best performing neighbour) to form expectations of sojourn time at the different facilities. Customers update their expectations using an adaptive expectations process to combine their memory and their new information. We label "conservative" those customers who give more weight to their memory than to the xiv Summary new information. In contrast, when they give more weight to new information, we call them "reactive". In Chapter 2, we consider customers with different degree of risk-aversion who take into account uncertainty. They choose which facility to join based on an estimated upper-bound of the sojourn time which they compute using their perceptions of the average sojourn time and the level of uncertainty. We assume the same exogenous service capacity for all facilities, which remains constant throughout. We first analyse the collective behaviour generated by the customers' decisions. We show that the system achieves low weighted average sojourn times when the collective behaviour results in neighbourhoods of customers loyal to a facility and the customers are approximately equally split among all facilities. The lowest weighted average sojourn time is achieved when exactly the same number of customers patronises each facility, implying that they do not wish to switch facility. In this case, the system has achieved the Nash equilibrium. We show that there is a non-monotonic relationship between the degree of risk-aversion and system performance. Customers with an intermediate degree of riskaversion typically achieve higher sojourn times; in particular they rarely achieve the Nash equilibrium. Risk-neutral customers have the highest probability of achieving the Nash Equilibrium. Chapter 3 considers a service system similar to the previous one but with risk-neutral customers, and relaxes the assumption of exogenous service rates. In this sense, we model a queueing system with endogenous service rates by enabling managers to adjust the service capacity of the facilities. We assume that managers do so based on their perceptions of the arrival rates and use the same principle of adaptive expectations to model these perceptions. We consider service systems in which the managers' decisions take time to be implemented. Managers are characterised by a profile which is determined by the speed at which they update their perceptions, the speed at which they take decisions, and how coherent they are when accounting for their previous decisions still to be implemented when taking their next decision. We find that the managers' decisions exhibit a strong path-dependence: owing to the initial conditions of the model, the facilities of managers with identical profiles can evolve completely differently. In some cases the system becomes "locked-in" into a monopoly or duopoly situation. The competition between managers causes the weighted average sojourn time of the system to converge to the exogenous benchmark value which they use to estimate their desired capacity. Concerning the managers' profile, we found that the more conservative Summary xv a manager is regarding new information, the larger the market share his facility achieves. Additionally, the faster he takes decisions, the higher the probability that he achieves a monopoly position. In Chapter 4 we consider a one-server queueing system with non-captive customers. We carry out an experiment aimed at analysing the way human subjects, taking on the role of the manager, take decisions in a laboratory regarding the capacity of a service facility. We adapt the model proposed by van Ackere et al (2010). This model relaxes the assumption of a captive market and allows current customers to decide whether or not to use the facility. Additionally the facility also has potential customers who currently do not patronise it, but might consider doing so in the future. We identify three groups of subjects whose decisions cause similar behavioural patterns. These groups are labelled: gradual investors, lumpy investors, and random investor. Using an autocorrelation analysis of the subjects' decisions, we illustrate that these decisions are positively correlated to the decisions taken one period early. Subsequently we formulate a heuristic to model the decision rule considered by subjects in the laboratory. We found that this decision rule fits very well for those subjects who gradually adjust capacity, but it does not capture the behaviour of the subjects of the other two groups. In Chapter 5 we summarise the results and provide suggestions for further work. Our main contribution is the use of simulation and experimental methodologies to explain the collective behaviour generated by customers' and managers' decisions in queueing systems as well as the analysis of the individual behaviour of these agents. In this way, we differ from the typical literature related to queueing systems which focuses on optimising performance measures and the analysis of equilibrium solutions. Our work can be seen as a first step towards understanding the interaction between customer behaviour and the capacity adjustment process in queueing systems. This framework is still in its early stages and accordingly there is a large potential for further work that spans several research topics. Interesting extensions to this work include incorporating other characteristics of queueing systems which affect the customers' experience (e.g. balking, reneging and jockeying); providing customers and managers with additional information to take their decisions (e.g. service price, quality, customers' profile); analysing different decision rules and studying other characteristics which determine the profile of customers and managers.