Forschungsmethoden und Statistik in der Psychologie: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 16 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Beschreibende Statistik

Mittelwert
x̄ = Σx/n
Stichproben-Standardabweichung
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
Median
mittlerer Wert der sortierten Daten
z-Wert
z = (x − μ)/σ
Normalverteilung
68% innerhalb ±1σ, 95% innerhalb ±2σ

Wahrscheinlichkeit

Gegenereignis
P(not A) = 1 − P(A)
Additionssatz
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Unabhängige Ereignisse
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
Bedingte Wahrscheinlichkeit
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
Binomialverteilung
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

Normalverteilung

z-Wert
z = (x − μ)/σ
Unterhalb von x
P(X < x) = Φ(z)
Oberhalb von x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Dazwischen
Φ(z2) − Φ(z1)
Perzentil
x = μ + z·σ

Methode

  1. Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
  2. Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
  3. Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
  4. Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.

Konfidenzintervalle

σ bekannt
x̄ ± z·σ/√n
σ unbekannt
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
Kritischer z-Wert
90%: 1,645, 95%: 1,96, 99%: 2,576
Stichprobenumfang
n = (z·σ/E)², rounded up

Methode

  1. Entscheide zwischen z (σ der Grundgesamtheit bekannt) und t (nur die Stichproben-Standardabweichung s, mit n − 1 Freiheitsgraden).
  2. Bestimme den kritischen Wert für das Konfidenzniveau.
  3. Fehlerspanne: E = kritischer Wert × Standardabweichung/√n.
  4. Intervall: x̄ ± E.

Hypothesentests & Konfidenzintervalle

z-Test für einen Mittelwert
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
t-Test für einen Mittelwert
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
Zweiseitig bei 5%
H0 ablehnen, wenn |z| > 1,96
Konfidenzintervall
x̄ ± z·σ/√n

Methode

  1. Formuliere H₀ und H₁ und entscheide, ob der Test einseitig oder zweiseitig ist.
  2. Berechne die Teststatistik: (x̄ − μ₀)/(σ/√n), oder mit s und t.
  3. Vergleiche mit dem kritischen Wert oder bestimme den p-Wert.
  4. Verwirf H₀, wenn die Statistik jenseits des kritischen Werts liegt (p kleiner als α), und formuliere die Schlussfolgerung in Worten.

Lineare Regression und Korrelation

Quadratsummen
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
Steigung
b = Sxy/Sxx
Achsenabschnitt
a = ȳ − b·x̄
Korrelation
r = Sxy/√(SxxSyy)
Residuum
e = y − ŷ

Chi-Quadrat-Tests

Teststatistik
χ² = Σ(O − E)²/E
Anpassungstest
E = n·p, df = k − 1 − (estimated parameters)
Unabhängigkeit
E = row total × column total / grand total, df = (r − 1)(c − 1)
Kritische Werte (α = 0,05)
df 1: 3,841, 2: 5,991, 3: 7,815, 4: 9,488
Entscheidung
H0 verwerfen, wenn χ² > χ²crit

2Übungsaufgaben

1.Forschungsmethoden der PsychologieMittel

In einer rechtsschiefen (positiv schiefen) Verteilung, etwa beim Einkommen:

  1. ASind Mittelwert und Median immer gleich
  2. BIst der Mittelwert größer als der Median
  3. CGibt es keine Extremwerte
  4. DIst der Mittelwert kleiner als der Median
2.Forschungsmethoden der PsychologieSchwer

Eine Studie findet, dass der Einfluss von Stress auf Krankheit bei Menschen mit starker sozialer Unterstützung schwächer ist. Soziale Unterstützung wirkt hier als:

  1. AKonfundierung
  2. BModerator
  3. CMediator
  4. DAbhängige Variable
3.Beschreibende StatistikMittel
283032343638404244

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 38, 42, 41, 27, 28, 44, 44.

n = 7
s =
4.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 60 und Standardabweichung 10. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 70?

μ = 60σ = 10x = 70
P =
5.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)00,310,3520,35μ = 1,05

Bestimme für die gezeigte Verteilung die Varianz Var(X) von X.

x: 0, 1, 2p(x): 0,3, 0,35, 0,35
Var(X) =
6.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 5, p = 0,5: P(X = 2) = ?k012345

Ein Test hat 5 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,5 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 2 richtige Antworten?

n = 5p = 0,5k = 2
P =
7.NormalverteilungMittel
105 s117,8 sX + Y?

X ist normalverteilt mit dem Mittelwert 60 s und der Standardabweichung 5 s; Y ist unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 45 s und der Standardabweichung 4 s. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X + Y größer als 117,8 s ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 60, σX = 5μY = 45, σY = 4X + Y > 117,8 s
P =
8.NormalverteilungSchwer
0,02 mm0D − d?

Bohrungsdurchmesser D sind normalverteilt mit dem Mittelwert 25,02 mm und der Standardabweichung 0,01 mm. Wellendurchmesser d sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 25 mm und der Standardabweichung 0,01 mm. Eine zufällig gewählte Welle passt, wenn D − d > 0 ist. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass sie passt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

Bohrung: μ = 25,02 mm, σ = 0,01 mmWelle: μ = 25 mm, σ = 0,01 mm
P =
9.KonfidenzintervalleMittel
n = 30, s = 16LUx̄ = 110,5E = ?90%

Eine Stichprobe von 30 Elementen hat den Mittelwert 110,5 und die Standardabweichung s = 16. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die Fehlermarge E eines 90-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 30x̄ = 110,5s = 1690%t(29) = 1,699
E =
10.KonfidenzintervalleSchwer
p ≈ 0,3, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0,0295%

Eine Vorstudie legt nahe, dass etwa 0,3 der Produkte fehlerhaft sind. Wie viele Produkte n müssen geprüft werden, damit ein 95-%-Konfidenzintervall für den Anteil eine Fehlermarge von höchstens 0,02 hat?

p ≈ 0,3E = 0,0295%
n =
11.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−1,961,96z = ?

Zwei Fertigungslinien stellen dasselbe Teil her. Linie 1: Eine Stichprobe von 30 Teilen hat die mittlere Länge 83 mm, und die bekannte Standardabweichung der Linie ist 10 mm. Linie 2: Eine Stichprobe von 40 Teilen hat den Mittelwert 86,2 mm, bekannte Standardabweichung 14 mm. Bestimme die Teststatistik z für H₀: μ₁ = μ₂, mit der Differenz x̄₁ − x̄₂ (Linie 1 minus Linie 2).

n₁ = 30x̄₁ = 83 mmσ₁ = 10 mmn₂ = 40x̄₂ = 86,2 mmσ₂ = 14 mm
z =
12.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
σ = 20, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2,595%

Wie groß muss eine Stichprobe sein, damit das 95-%-Konfidenzintervall für einen Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 2,5 hat? Die Standardabweichung ist 20. Bestimme den kleinsten Stichprobenumfang n.

σ = 20E = 2,595%
n =
13.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy330428529632738xy463035

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Werbeausgaben in k€ und y = Umsatz in k€. Bestimme das Bestimmtheitsmaß r² der Regressionsgeraden.

n = 5
r² =
14.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy264126218281030xy510102030x = 7

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Last in kN und y = Verlängerung in mm. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Sage ŷ für x = 7 voraus.

n = 5x = 7
ŷ =
15.Chi-Quadrat-TestsMittel
janeinSummeMänner211940Frauen6753120Summe8872160

Die Kontingenztafel zeigt beobachtete Häufigkeiten. Berechne die Chi-Quadrat-Prüfgröße χ² für den Test auf Unabhängigkeit zwischen Zeilen- und Spaltenvariable. Verwende keine Stetigkeitskorrektur.

N = 1602 × 2
χ² =
16.Chi-Quadrat-TestsSchwer

Ein Chi-Quadrat-Anpassungstest vergleicht die beobachteten Häufigkeiten in 11 Kategorien mit vollständig vorgegebenen erwarteten Anteilen (es werden keine Parameter aus den Daten geschätzt). Wie viele Freiheitsgrade df hat der Test?

k = 11
df =

3Lösungen

1.Forschungsmethoden der Psychologie

Antwort: B · Ist der Mittelwert größer als der Median

Warum das die Antwort ist

Einige sehr hohe Werte im rechten Ausläufer heben den Mittelwert über den Median, weshalb bei schiefen Daten oft der Median berichtet wird.

Antwort

B · Ist der Mittelwert größer als der Median
2.Forschungsmethoden der Psychologie

Antwort: B · Moderator

Warum das die Antwort ist

Ein Moderator verändert Stärke oder Richtung des Zusammenhangs zwischen zwei Variablen. Ein Mediator erklärt den Mechanismus, über den eine Variable eine andere beeinflusst.

Antwort

B · Moderator
3.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 7,274

Beschreibende Statistik: Der Mittelwert ist die Summe geteilt durch n; der Median ist der mittlere Wert der sortierten Daten (bei geradem n der Mittelwert der beiden mittleren Werte). Die Stichproben-Standardabweichung ist s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Ein z-Wert z = (x − μ)/σ gibt an, wie viele Standardabweichungen ein Wert vom Mittelwert entfernt liegt.

Mittelwert

x̄ = 264/7 = 37,71

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 0,2857² + 4,286² + 3,286² + (−10,71)² + (−9,714)² + 6,286² + 6,286² = 317,4

Standardabweichung

s = √(317,4/6) = 7,274

Antwort

s = 7,274
4.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,8413

Beschreibende Statistik: Der Mittelwert ist die Summe geteilt durch n; der Median ist der mittlere Wert der sortierten Daten (bei geradem n der Mittelwert der beiden mittleren Werte). Die Stichproben-Standardabweichung ist s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Ein z-Wert z = (x − μ)/σ gibt an, wie viele Standardabweichungen ein Wert vom Mittelwert entfernt liegt.

Standardisieren

z = 1

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(1) = 0,8413
P = 0,8413

Antwort

P = 0,8413
5.Wahrscheinlichkeit

Antwort: Var(X) = 0,6475

Diskrete Zufallsvariablen: Eine Wahrscheinlichkeitsverteilung listet jeden Wert x, den eine Variable annehmen kann, mit seiner Wahrscheinlichkeit p(x) auf; die Wahrscheinlichkeiten liegen zwischen 0 und 1 und summieren sich zu 1. Der Erwartungswert (Mittelwert) ist E(X) = Σx·p(x), der Durchschnitt auf lange Sicht. Die Varianz ist Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², und die Standardabweichung ist σ = √Var(X). Für eine lineare Änderung Y = aX + b gilt: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) und σY = |a|·σX; das Addieren einer Konstanten ändert die Streuung nicht.

Mittelwert

μ = 0·0,3 + 1·0,35 + 2·0,35 = 1,05

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 0·0,3 + 1·0,35 + 4·0,35 = 1,75

Varianz

Var(X) = 1,75 − 1,05² = 0,6475

Antwort

Var(X) = 0,6475
6.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,3125

Wahrscheinlichkeit: Bei gleich wahrscheinlichen Ergebnissen gilt P(A) = günstige/mögliche. Bei unabhängigen Ereignissen wird multipliziert: P(A und B) = P(A)·P(B). Das Gegenereignis hilft oft: P(mindestens eins) = 1 − P(keins). Binomial: Bei n unabhängigen Versuchen mit Erfolgswahrscheinlichkeit p gilt P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

Binomialformel

P(X = 2) = 10·0,52·0,53 = 10·0,25·0,125 = 0,3125

Antwort

P = 0,3125
7.Normalverteilung

Antwort: P = 0,02275

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Summe

μ = 105 s, σ = √(5² + 4²) = 6,403 s

Standardisieren

z = (117,8 − 105)/6,403 = 2

Oberer Rand

P = 1 − Φ(2) = 1 − 0,9772 = 0,02275

Antwort

P = 0,02275
8.Normalverteilung

Antwort: P = 0,9207

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Differenz

μ = 25,02 − 25 = 0,02 mm, σ = 0,01414 mm

Standardisieren

z = (0 − 0,02)/0,01414 = −1,41

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−1,41) = 0,9207

Antwort

P = 0,9207
9.Konfidenzintervalle

Antwort: E = 4,963

Konfidenzintervall für einen Mittelwert: x̄ ± Fehlermarge. Bei bekanntem σ der Grundgesamtheit ist die Fehlermarge z·σ/√n; ist nur die Stichproben-Standardabweichung s bekannt, nimm t mit n − 1 Freiheitsgraden: t·s/√n. Kritische Werte: z = 1,645 (90 %), 1,96 (95 %), 2,576 (99 %). Für eine Fehlermarge von höchstens E brauchst du n ≥ (z·σ/E)², aufgerundet.

Kritischer Wert

df = n − 1 = 29, t = 1,699

Fehlermarge

E = 1,699·16/√30 = 4,963

Antwort

E = 4,963
10.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 2017

Confidence interval for a proportion: p̂ ± z·√(p̂(1 − p̂)/n), where p̂ = x/n. To reach a margin E you need n ≥ z²·p(1 − p)/E², rounded up; without a prior estimate use p = 0,5, which gives the largest n.

Nach n auflösen

n = 1,96²·0,3·0,7/0,02² = 2017

Aufrunden

n = 2017

Antwort

n = 2017
11.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: z = −1,115

Hypothesis test: the test statistic = (estimate − value under H₀)/(standard error under H₀). The p-value is the probability, assuming H₀ is true, of a statistic at least as extreme as the one observed: the area in one tail for a one-sided H₁, twice the tail area for a two-sided H₁. Reject H₀ when p ≤ α.

Standardfehler der Differenz

SE = √(10²/30 + 14²/40) = √8,233 = 2,869

Teststatistik

z = (83 − 86,2)/2,869 = −1,115

Antwort

z = −1,115

|z| < 1.96, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) nicht verworfen.

12.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: n = 246

Test eines Mittelwerts: Die Teststatistik misst, wie viele Standardfehler der Stichprobenmittelwert vom in H₀ behaupteten Wert entfernt liegt: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n), wenn σ bekannt ist, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n), wenn es aus der Stichprobe geschätzt wird. Ein Konfidenzintervall ist x̄ ± (kritischer Wert)·(Standardfehler).

Nach n auflösen

n = (1,96·20/2,5)² = 245,9

Aufrunden

n = 246

Antwort

n = 246
13.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r² = 0,6329

Regression nach der Methode der kleinsten Quadrate: Mit den Mittelwerten x̄ und ȳ, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² und Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) hat die Gerade ŷ = a + b·x die Steigung b = Sxy/Sxx und den Achsenabschnitt a = ȳ − b·x̄; sie geht also immer durch (x̄, ȳ). Der Korrelationskoeffizient nach Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) liegt zwischen −1 und 1; r² ist der Anteil der Streuung von y, der durch die Gerade erklärt wird.

Mittelwerte

x̄ = 25/5 = 5
ȳ = 157/5 = 31,4

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 20
Syy = Σ(y − ȳ)² = 63,2

Bestimmtheitsmaß

r² = 20²/(10·63,2) = 0,6329

Antwort

r² = 0,6329

Etwa 63,29 % der Streuung von y werden durch die Gerade erklärt.

14.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 22,6

Regression nach der Methode der kleinsten Quadrate: Mit den Mittelwerten x̄ und ȳ, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² und Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) hat die Gerade ŷ = a + b·x die Steigung b = Sxy/Sxx und den Achsenabschnitt a = ȳ − b·x̄; sie geht also immer durch (x̄, ȳ). Der Korrelationskoeffizient nach Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) liegt zwischen −1 und 1; r² ist der Anteil der Streuung von y, der durch die Gerade erklärt wird.

Mittelwerte

x̄ = 30/5 = 6
ȳ = 97/5 = 19,4

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 128

Regressionsgerade

b = 128/40 = 3,2
a = 19,4 − 3,2·6 = 0,2
ŷ = 0,2 + 3,2·x

Vorhersage

ŷ = 0,2 + 3,2·7 = 22,6

Antwort

ŷ = 22,6
15.Chi-Quadrat-Tests

Antwort: χ² = 0,1347

Chi-Quadrat-Tests: Vergleiche die beobachteten Häufigkeiten O mit den unter H₀ erwarteten Häufigkeiten E über χ² = Σ(O − E)²/E. Anpassungstest: E = n·p für jede Kategorie, df = k − 1 (minus eins für jeden aus den Daten geschätzten Parameter). Unabhängigkeit in einer r × c-Tafel: E = Zeilensumme × Spaltensumme / Gesamtsumme, df = (r − 1)(c − 1). Verwirf H₀, wenn χ² den kritischen Wert für das gewählte α überschreitet.

Erwartete Häufigkeiten

Männer: 40·88/160 = 22, 40·72/160 = 18
Frauen: 120·88/160 = 66, 120·72/160 = 54

Chi-Quadrat-Prüfgröße

χ² = (21 − 22)²/22 + (19 − 18)²/18 + (67 − 66)²/66 + (53 − 54)²/54
χ² = 0,1347

Antwort

χ² = 0,1347

df = 1. Bei α = 0,05 ist der kritische Wert 3,841, also wird H₀ (Unabhängigkeit) nicht verworfen.

16.Chi-Quadrat-Tests

Antwort: df = 10

Chi-Quadrat-Tests: Vergleiche die beobachteten Häufigkeiten O mit den unter H₀ erwarteten Häufigkeiten E über χ² = Σ(O − E)²/E. Anpassungstest: E = n·p für jede Kategorie, df = k − 1 (minus eins für jeden aus den Daten geschätzten Parameter). Unabhängigkeit in einer r × c-Tafel: E = Zeilensumme × Spaltensumme / Gesamtsumme, df = (r − 1)(c − 1). Verwirf H₀, wenn χ² den kritischen Wert für das gewählte α überschreitet.

Freiheitsgrade

df = 11 − 1 = 10

Antwort

df = 10

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