home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / cryonics / 726 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-12-28  |  22.1 KB

  1. Path: sparky!uunet!zaphod.mps.ohio-state.edu!saimiri.primate.wisc.edu!ames!agate!garnet.berkeley.edu!quaife
  2. From: quaife@garnet.berkeley.edu ()
  3. Newsgroups: sci.cryonics
  4. Subject: Staying Cold
  5. Date: 28 Dec 1992 06:34:33 GMT
  6. Organization: University of California, Berkeley
  7. Lines: 497
  8. Distribution: world
  9. Message-ID: <1hm75pINNnqq@agate.berkeley.edu>
  10. NNTP-Posting-Host: garnet.berkeley.edu
  11.  
  12. THE TRANS TIMES
  13. Life Extension through Cryonic Suspension
  14.  
  15. Volume 1 Number 3                                   December 1992
  16.  
  17.                           STAYING COLD
  18.             Providing Sufficient Maintenance Funding
  19.  
  20.                       by Art Quaife, Ph.D.
  21.  
  22. Persons to be placed in cryonic suspension provide a trust fund to
  23. pay for their ongoing maintenance.  It is important that the total
  24. return on the trust fund usually exceeds the yearly cost of
  25. storage, so that the trust fund grows rather than diminishes. 
  26. Clearly the larger the fund, the less likely it is ever to run out. 
  27. But how much is enough? How large an initial fund is needed to
  28. insure that the fund is nearly certain to never become exhausted? 
  29.  
  30. In this article, I will attempt to determine the probability that
  31. trust funds of various sizes and expected returns will eventually
  32. go broke.  In probability theory, this problem is known as the
  33. *gambler's ruin*, or more generally as the problem of *first
  34. passage times*.
  35.  
  36. The three main determinants of how large a fund is required are:
  37.  
  38. 1.    The total return on investment *roi* (dividends and interest
  39. plus capital gains) that the trust can obtain.
  40.  
  41. 2.    The yearly charge *LTS* for maintaining the patient in long
  42. term storage.  A large component of this charge will be the cost of
  43. liquid nitrogen.  I will assume that the cost of maintaining the
  44. patient increases yearly by *inf*, the rate of inflation as
  45. measured by the Consumer Price Index.
  46.  
  47. 3.    Whether or not the fund is taxable.  TRANS TIME can help you
  48. set up a trust fund that is tax-free, avoiding the large initial
  49. and yearly bites that the IRS will otherwise take.  Thus I will
  50. ignore taxation in this article.
  51.  
  52.  
  53. *Funding when the returns are certain*
  54.  
  55. If we know the value of our total return on investment *for
  56. certain* (i.e., if *roi* has standard deviation 0) and similarly
  57. the rate of inflation is certain to be *inf*, then the return
  58. *after inflation* is given by their geometric difference:
  59.  
  60.           1 + roi          roi - inf
  61.     i =   -------  - 1  =  ---------
  62.           1 + inf           1 + inf
  63.  
  64.       approx.  =  roi - inf
  65.  
  66.  
  67. It is easy to see that if *i* > 0, then a fund of size *F* =
  68. *LTS*/*i* will produce exactly enough return each year to pay the
  69. long term storage bill, and still grow with the rate of inflation.
  70.  
  71. However, we cannot be certain that *inf* will remain the same for
  72. any time into the future.  If we invest the fund in the stock
  73. market, our rate of return *roi* will also be uncertain even in the
  74. short term.  Even investing in long-term government bonds and
  75. holding them to maturity gives an uncertain return over a long
  76. enough time scale, since we do not know what the renewal interest
  77. rate will be. 
  78.  
  79.  
  80. *Funding when the returns are uncertain*
  81.  
  82. A very conservative management policy is to invest the trust
  83. principal in U.S. Treasury bills.  According to the extensive
  84. studies presented in [1], over the 65 year period 1926-1990,
  85. Treasury bills returned 3.7% +- 3.4% (mean +- standard deviation)
  86. per year.  However over the same period, the rate of inflation was
  87. 3.2% +- 4.7%.  After adjusting out the inflationary increase each
  88. year, the T-bills returned only 0.6% +- 4.4%!
  89.  
  90. Suppose that *LTS* = $5,000/year, close to TRANS TIME's current
  91. charge.  Then using T-bills for funding we have *LTS*/.006 =
  92. $833,333! And even a fund this large is not guaranteed to last
  93. indefinitely; because of the variation in the returns, it could
  94. still go broke.
  95.  
  96. Let us suppose, instead, that we invest the fund in the stock
  97. market.  The return during 1926-1990 on the Standard & Poor 500 was
  98. 12.1% +- 20.8% per year, and after adjusting out inflation was 8.8%
  99. +- 21.0% per year [1].  While this return was substantially higher
  100. than that of T-bills, so was the standard deviation.  This accords
  101. with the general rule: to get a higher expected return, one usually
  102. has to accept greater volatility. 
  103.  
  104. One can buy mutual index funds that invest in exactly the S&P 500
  105. stocks, and obtain their return, less about .2% per year for fund
  106. overhead in the best of them.  Buying an index fund is a very
  107. reasonable investment strategy; only a small fraction of mutual
  108. funds manages to beat the S&P 500 over any extended period of time. 
  109. With this strategy, the minimum suggested fund size *LTS*/*i* is
  110. $56,818.  This is more like it.  But note the very large standard
  111. deviation.  How likely is a fund of this size to go broke?
  112.  
  113.  
  114. *Distribution of stock prices*
  115.  
  116. Let *SP(t)* be the value of the S&P 500 index, with dividends
  117. reinvested, at time *t*.  A weak form of the random walk hypothesis
  118. asserts that for times *t* < *u* <= *v* < *w*, the differences
  119. *SP(u)* - *SP(t)* and *SP(w)* - *SP(v)* are independent random
  120. variables.  To first approximation, for a fixed interval of time
  121. *u* - *t*, these changes are normally distributed with a constant
  122. mean and standard deviation.  But this approximation ignores
  123. scaling: it is about as likely for a stock to increase from $10.00
  124. to $11.00 as it is for it to increase from $100.00 to $110.00, not
  125. to $101.00.  This leads to our second approximation: for fixed
  126. difference *u* - *t*, the *ratios*  *SP(u)*/*SP(t)* are normally
  127. distributed with constant mean and standard deviation.
  128.  
  129. But this better approximation still cannot be quite correct.  It
  130. gives a non-zero probability of changes to *negative* values of
  131. *SP(t)*, which are impossible.  This and other theoretical
  132. arguments suggest our best approximation: the ratios of changes
  133. have the *lognormal* distribution, which means that the changes in
  134. the *logarithms* of the index have the *normal* distribution.  Both
  135. the mean and the variance of this lognormal distribution are
  136. proportional to the time difference *u* - *t*.  This model bears
  137. out well under testing [1].  The equations for the evolution of the
  138. logarithm of stock prices are the same as for the diffusion process
  139. consisting of Brownian motion with a drift.
  140.  
  141.  
  142. *The lognormal distribution*
  143.  
  144. Let the random variable *X* have the lognormal distribution with
  145. mean *m* and standard deviation *s*.  Then *ln(X)* has the normal
  146. distribution with (say) mean *mu*  and standard deviation *sigma*. 
  147. These statistics are related as follows:
  148.  
  149.  
  150.     mu  =  ln(m / (1 + (s/m)^2)^.5)
  151.  
  152.     sigma  =  (ln(1 + (s/m)^2))^.5
  153.  
  154.     m  =  exp(mu + .5 sigma^2)
  155.  
  156.     s  =  (exp(sigma^2) - 1)^.5  exp(mu + .5 sigma^2)
  157.  
  158.  
  159. In the case of the S&P 500, where *X* = *SP(t[sub 0] + 1 yr.)* /
  160. *SP(t[sub 0])*, [1] gives the values *m[sub 1]* = 1.088, *s[sub 1]*
  161. = .21.  Thus we calculate *mu[sub 1]* = .0661, *sigma[sub 1]* =
  162. .1913.
  163.  
  164. When the time interval is *t*, we have:
  165.  
  166.  
  167.     m[sub t] = m[sub 1]^t
  168.  
  169.     s[sub t]  =  s[sub 1] t^.5  m[sub 1]^(t-1)
  170.  
  171. In the graph below, the illustrated parameter values emphasize the
  172. skewness of the lognormal distribution.  But the lognormal
  173. distribution with the S&P 500 parameter values calculated above is
  174. much less skew, and harder to distinguish visually from the normal
  175. distribution. 
  176.  
  177. [GRAPH OF LOGNORMAL DISTRIBUTION OMITTED]
  178.  
  179. *The probability of fund death using the S&P 500 for funding*
  180.  
  181. I have written a program in C++ that provides a Monte Carlo
  182. simulation of the problem.  For each of various initial levels of
  183. funding, I ran 30,000 trials.  In each trial the portfolio begins
  184. with the specified level of funding.  At the end of each year, the
  185. program uses a random number generator and the lognormal
  186. distribution to post the portfolio's return for the year.  The
  187. program then deducts the yearly storage charge.  If the deduction
  188. reduces the portfolio to <= 0, the fund is declared dead, and the
  189. patient is now without funding.  Each trial was run for 400 years. 
  190. The results are presented below.
  191.  
  192.  
  193.                          S&P 500 Funding
  194.  
  195.                 After 200 years             After 400 years
  196. Initial     Fraction of     Mean        Fraction of     Mean
  197. Funding     Portfolios Alive            Portfolios Alive
  198. _________________________________________________________________
  199. $                        $                        $
  200.    56,818     .26         2.6 y 10^11    .26         7.9 y 10^18
  201.    80,000     .50         8.3 y 10^11    .50         1.8 y 10^19
  202.   100,000     .65         1.0 y 10^12    .65         2.5 y 10^19
  203.   120,000     .74         2.2 y 10^12    .74         3.8 y 10^19
  204.   150,000     .84         2.9 y 10^12    .84         4.2 y 10^19
  205.   200,000     .92         3.5 y 10^12    .93         4.9 y 10^19
  206.   250,000     .96         4.3 y 10^12    .96         8.9 y 10^19
  207.   300,000     .97         6.9 y 10^12    .97         1.2 y 10^20
  208.   400,000     .99         8.4 y 10^12    .99         1.6 y 10^20
  209.   500,000     .99         1.1 y 10^13    .99         2.6 y 10^20
  210.  
  211. The Mean columns average all portfolios, with those that died
  212. valued at 0.
  213.  
  214.  
  215. Almost all of the portfolios that died did so within the first 100
  216. years.  Those that were still alive at the end of 200 years were
  217. now so large that there was very little chance of them dying even
  218. in the next 1,000,000,000 years.
  219.  
  220. It is discouraging to see how poorly our minimum recommended
  221. funding fares.  With only $56,818 of funding, one stands a 74%
  222. chance of running out of money.  One needs almost $250,000 of
  223. funding to reduce this chance of failure to 5%.
  224.  
  225.  
  226.  
  227.  
  228. *The probability of fund death using T-bills for funding*
  229.  
  230. If we invest the fund in T-bills, the data in [1] yields *mu* =
  231. .0050, *sigma* = .0437.  Simulation as above yields the results
  232. below.
  233.  
  234. Here *many* funds were still marginal after 200 years, and died out
  235. in the next 200 years.  Many are still marginal even after 400
  236. years.
  237.  
  238.                          T-Bill Funding
  239.  
  240.                 After 200 Years              After 400 Years  
  241. Initial     Fraction of     Mean        Fraction of      Mean
  242. Funding     Portfolios Alive             Portfolios Alive
  243. __________________________________________________________________
  244. $                    $                        $
  245.    500,000    .20           104,000        .05           142,000
  246.    833,333    .79           881,000        .43         1,754,000
  247.  1,000,000    .91         1,404,000        .61         3,098,000
  248.  1,500,000    .99         3,045,000        .90         8,140,000
  249.         
  250.  
  251.  
  252. *Trust Management Fees*
  253.  
  254. Banks typically charge 1% to 3% per year to manage a trust,
  255. depending upon its size.  I have not deducted any such charges in
  256. computing the two tables above, so the actual results will be
  257. worse.  Indeed with T-bill funding, the yearly return would become
  258. *negative*!
  259.  
  260. If the portfolio is kept simple enoughDsuch as investment in an S&P
  261. 500 index fundDa cryonics organization might manage the trust for
  262. a lower fee, or perhaps as part of their long term funding charge.
  263.  
  264. I have also ignored the much smaller .2% management fee on least-
  265. expensive S&P 500 index funds.  
  266.  
  267.  
  268. *Funding reanimation*
  269.  
  270. Not only must the patient have sufficient funding to insure
  271. indefinite long term storage, he must also be able to fund
  272. reanimation.  Speculations as to the cost of reanimation range from
  273. very cheap to very expensive.  I will not explore that question
  274. further, except to note that the funds that grew like the S&P 500
  275. and survived for 200 years were then generally *very large* [2]. 
  276. Thus if reanimation is available at any price, these funds should
  277. be able to pay for it.
  278.  
  279. Once the yearly storage charge becomes negligible with respect to
  280. the size of the fund, during the course of a century every $1.00 of
  281. S&P 500 funding is expected to grow to $4,601 in current dollars!
  282. On the other hand, each dollar of T-bill funding only grows to
  283. $1.82.
  284.  
  285. If your S&P 500 funding grows like the S&P 500 has grown
  286. historically, and if reanimation proves possible at *some* price,
  287. then it can be at most a few score years more until your fund will
  288. be able to pay for it.  But the situation is strikingly worse with
  289. T-bill funding.
  290.  
  291.  
  292. *Establishing an estate:  Should one *ever* purchase T-bills?*
  293.  
  294. Most cryonicists take out life insurance policies to fund their
  295. eventual suspension.  Term life insurance can inexpensively create
  296. an "instant estate" for a young person in good health.  But as you
  297. become older, eventually the insurance premiums will become
  298. prohibitive.  By that time you must have accumulated an actual
  299. estate sufficient to fund suspension.  
  300.  
  301. To build such an estate, it is hard to imagine circumstances in
  302. which it is advisable to invest in T-bills.  Surely if you are
  303. attempting to maximize your expected return, you will invest in the
  304. S&P 500 (or similar stock market investment) and expect to receive
  305. 8.8% +- 21.0% inflation rather than accept the minuscule 0.6% +-
  306. 4.4% per year return on T-bills (all percentages after inflation). 
  307.  
  308. The "1 - Cumulative Distribution" graph shows the probability of
  309. obtaining a yearly return of at *least* the X-axis value minus 1. 
  310. Of course the investor wants this probability to be as high as
  311. possible.  We see that the probability using S&P 500 investment
  312. exceeds that from T-bill investment, unless X < .97.  
  313.  
  314. [GRAPH OF 1 - CUMULATIVE DISTRIBUTION OMITTED.]
  315.  
  316. For a person to prefer T-bill investment to S&P 500 investment, he
  317. would have to have *very* strong aversion to risk.  This means that
  318. his personal utility as a function of money is sharply concave
  319. (curves downward).
  320.  
  321. It is difficult to contrive a situation in which it is advisable to
  322. invest solely in T-bills, but I will try.  If an orphan widow
  323. currently has $100,000, and must have exactly $90,000 available one
  324. year from now to meet the balloon payment on the mortgage or else
  325. the heartless banker will foreclose and throw her in the gutter
  326. where she will have to beg for crumbs, one might argue that she
  327. should invest in T-bills to minimize that possibility.  In this
  328. contrived example, the widow's personal utility is not a linear
  329. function of money.  In particular, $90,000 one year from now is
  330. worth *much* more to her than $89,900, which won't pay off the
  331. mortgage.
  332.  
  333. But few of us face such a circumstance.  We are in the situation
  334. where we know that the more we expect to make over the long term,
  335. the better off we will be.  We know that we cannot build a
  336. significant estate investing in T-bills.  So for us the answer is
  337. clearly *no*, do not invest in T-bills, invest in the S&P 500.
  338.  
  339. If our investment horizon is ten or more years rather than one
  340. year, the conclusion is even clearer.  For if we replot the "1 -
  341. Cumulative Distribution" graph over that time scale, the region
  342. where the T-bill probability significantly exceeds the S&P
  343. probability nearly vanishes.
  344.  
  345.  
  346. *The Kelly criterion*
  347.  
  348. We don't have to invest all of our funds in  a single investment;
  349. we can diversify.  Suppose that the only two available investments
  350. are T-bills and the S&P 500.  Even though the T-bills are an
  351. inferior investment, perhaps we should diversify and put *some* of
  352. our bankroll into them.  But what fraction?
  353.  
  354. It is intuitively plausible that the subjective value of an
  355. additional dollar received is inversely proportional to how many
  356. dollars one currently has.  In this case, the utility of money is
  357. given by the *logarithm* of one's total wealth.  Daniel Bernoulli
  358. first proposed this way back in 1730; to this day, the logarithm
  359. remains the best prototype for everyman's utility function.  Since
  360. the logarithm function is concave, persons with logarithmic utility
  361. will be averse to risk.  In maximizing the logarithm of their
  362. capital they may buy insurance, which a person maximizing his pure
  363. monetary return will not do because he expects to pay more in
  364. premiums than he will ever get back in claims (insurance companies
  365. make money).
  366.  
  367. To select a portfolio (a mixture of investments) for a period of
  368. time (such as a year), the Kelly criterion is to maximize the
  369. expected value of the logarithm of wealth one will have at the end
  370. of the period.  One then reevaluates the situation, and repeatedly
  371. invests the same way.  This strategy has two very desirable
  372. properties: 
  373.  
  374. (1)    Maximizing the expected logarithm of wealth asymptotically
  375. maximizes the rate of asset growth; and 
  376.  
  377. (2)    The expected time to reach a fixed preassigned wealth W is,
  378. asymptotically as W increases, least with this strategy.  
  379.  
  380. Note that both conclusions concern the accumulation of *wealth*,
  381. not the logarithm of wealth.  At the risk of oversimplifying, the
  382. Kelly criterion it is the best long-term investment strategy for
  383. getting rich.  See Thorp [2] for further discussion and references.
  384.  
  385. The Kelly criterion determines the proper tradeoff between risk and
  386. return.  It allows us to compute exactly what percent of our funds
  387. we should put in T-bills, and hence what remaining percent in the
  388. S&P 500.  I have done the computation, and the answer is: 0% in T-
  389. bills, 100% in the S&P 500.  The decreased risk of the T-bills
  390. still does not justify any investment at such a miserable return. 
  391. It isn't even close.  We would have to increase the standard
  392. deviation of the S&P 500 from .21 to .31 before the Kelly criterion
  393. would begin investing a tiny fraction of the bankroll in T-bills. 
  394. Alternatively, we would have to reduce the expected return from the
  395. S&P 500 from 8.8% to 4.4% (after inflation) before T-bills could be
  396. considered for a small part of the portfolio.
  397.  
  398. The same conclusion applies to just about all other short-term
  399. financial instruments, such as savings accounts, money-market
  400. funds, or certificates of deposit.  Such instruments may offer a
  401. slightly higher return than T-bills, accompanied by slightly higher
  402. risk.  They are not close to belonging in a portfolio with the S&P
  403. 500.
  404.  
  405. Reference [1] also gives mean and standard deviation figures for
  406. intermediate government bonds, long-term government bonds, and
  407. long-term corporate bonds.  None of these investments qualify as
  408. part of a portfolio with the S&P 500.
  409.  
  410.  
  411. *Conclusions*
  412.  
  413. We assume that the goal of the cryonics fund manager is to keep the
  414. portfolio alive until it is possible to reanimate the patient.  It
  415. is hard to find any circumstances under which it would be advisable
  416. to invest any of a patient's portfolio in T-bills, or even in
  417. corporate bonds.  At every level of funding and at every time until
  418. attempted reanimation, the portfolio has a greater chance of
  419. surviving if invested in the S&P 500 than if invested in T-bills
  420. [3].  Nor should T-bills be part of an investment strategy for
  421. building a cryonics estate.
  422.  
  423. If we calculate the needed funding using only the expected return
  424. on investment and ignore the *variance* of the investment, we will
  425. seriously underestimate the needed funding.  The amount of funding
  426. required for the patient's fund to survive at the .05 confidence
  427. level is about $250,000.  This required funding level may turn out
  428. to be too high if the cost of long term storage does not increase
  429. as rapidly as inflation.  This seems likely to be the case if we
  430. benefit from large economies of scale.  But the game you are
  431. playing is *You Bet Your Life.* How much risk do you wish to take
  432. on losing?
  433.  
  434. *Notes*
  435.  
  436. 1.    Edward Thorp advises me that deviations of the actual
  437. distribution from this model distribution may make the situation
  438. slightly worse than my predictions.
  439.  
  440. 2.    If we extrapolate exponential growth into the distant future,
  441. the predictions are likely to be too high. Eventually limits are
  442. approached that are not part of the model.  Thus the precise Mean
  443. figures appearing in the S&P 500 Funding table should not be taken
  444. too seriously.
  445.  
  446. 3.    To be completely precise, I should add "except possibly for
  447. funding levels where both probabilities of failure are vanishingly
  448. small." For example, if the portfolio size is $100,000,000, the
  449. probability of failure with S&P 500 funding might be 10^-50, while
  450. the T-bill probability of failure might be 10^-75.  In both cases
  451. these probabilities are so small that they can be safely rounded to
  452. 0.  Such extremely small probabilities of failure are only within
  453. the limits of our model assumptions; other factors such as possible
  454. government intervention make the real probability of failure
  455. higher.
  456.  
  457.  
  458. *References*
  459.  
  460. [1]    *Stocks, Bonds, Bills, and Inflation 1991 Yearbook*. 
  461. Chicago: Ibbotson Associates (1991).
  462.  
  463. [2]    Thorp, E.   Portfolio Choice and the Kelly Criterion. 
  464. Reprinted in *Stochastic Optimization Models in Finance*, W. Ziemba
  465. and R. Vickson eds., New York: Academic Press (1975).
  466.  
  467.  
  468.  
  469.                     Automated Development of
  470.                 Fundamental Mathematical Theories
  471.  
  472.  
  473. This work, by TRANS TIME President Art Quaife, was just released by
  474. Kluwer Academic Publishers.  It is a revised version of his Ph.D.
  475. thesis, and the second volume in their Automated Reasoning Series.
  476.  
  477. Of particular interest to cryonicists is the Preface, which is a
  478. strong expression of cryonicist/immortalist goals and philosophy. 
  479. Art had to fight hard to get that into the book.  Both the managing
  480. editor and the senior editor strongly urged him to remove it,
  481. fearing it would detract from the serious nature of the work.  But
  482. Art successfully insisted that it stay in.
  483.  
  484. Art provides an introduction to automated reasoning, and in
  485. particular to resolution theorem proving using the prover OTTER. 
  486. He presents a new clausal version of von Neumann-Bernays-Gdel set
  487. theory, and lists over 400 theorems proved semiautomatically in
  488. elementary set theory.  He presents a semiautomated proof that the
  489. composition of homomorphisms is a homomorphism, thus solving a
  490. challenge problem.
  491.  
  492. Art next develops Peano's Arithmetic, and gives more than 1200
  493. definitions and theorems in elementary number theory.  He gives
  494. part of the proof of the fundamental theorem of arithmetic (unique
  495. factorization), and gives an OTTER-generated proof of Euler's
  496. generalization of Fermat's theorem.
  497.  
  498. Next he develops Tarski's geometry within OTTER.  He obtains proofs
  499. of most of the challenge problems appearing in the literature, and
  500. offers further challenges.  He then formalizes the modal logic
  501. calculus K4, in order to obtain very high level automated proofs of
  502. Lb's theorem, and of Gdel's two incompleteness theorems.  Finally
  503. he offers thirty-one unsolved problems in elementary number theory
  504. as challenge problems.
  505.  
  506. The publishers have priced the book at a hefty $123.00.  This may
  507. briefly slow its rise up the New York Times bestseller list.
  508.  
  509.