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

Eine Forscherin will prüfen, ob es einen Zusammenhang zwischen Geschlecht (männlich/weiblich) und bevorzugtem Filmgenre (vier Kategorien) gibt. Welcher Test ist geeignet?

  1. AChi-Quadrat-Unabhängigkeitstest
  2. BEinfaktorielle Varianzanalyse
  3. CPearson-Korrelation
  4. Dt-Test für abhängige Stichproben
2.Forschungsmethoden der PsychologieSchwer

In der qualitativen Forschung bedeutet Reflexivität, dass die Forscherin:

  1. ADie Studie wiederholt, um die Reliabilität zu prüfen
  2. BThemen in numerische Daten umwandelt
  3. CEine Zufallsstichprobe verwendet, um Verzerrungen zu beseitigen
  4. DDarüber reflektiert, wie ihr eigener Hintergrund und ihre Annahmen die Auswertung prägen können
3.Beschreibende StatistikMittel
1015202530354045

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 10, 22, 24, 49, 23, 37.

n = 6
s =
4.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 500 und Standardabweichung 75. Welcher Anteil P der Werte liegt über 545?

μ = 500σ = 75x = 545
P =
5.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)00,310,320,0530,35μ = 1,45

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

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0,3, 0,3, 0,05, 0,35
Var(X) =
6.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 5, p = 0,5: P(X ≤ 1) = ?k012345

5 Bauteile werden geprüft, und jedes fällt unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,5 aus. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass höchstens eines ausfällt?

n = 5p = 0,5
P =
7.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche rechts von z = 0,0183

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,0183 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,0183
z =
8.NormalverteilungSchwer
μ = 65x = ?5%

Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Bestimme den Wert x, unter dem 5 % von ihnen liegen (das 5. Perzentil).

μ = 65σ = 10P = 5%
x = Punkte
9.KonfidenzintervalleMittel
n = 10, s = 3LUx̄ = 101E = ?99%

Eine Stichprobe von 10 Elementen hat den Mittelwert 101 und die Standardabweichung s = 3. Die Grundgesamtheit ist annähernd normalverteilt. Bestimme die Fehlermarge E eines 99-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

n = 10x̄ = 101s = 399%t(9) = 3,25
E =
10.KonfidenzintervalleSchwer
μ₁ − μ₂, t(20) = 2,8450LU = ?x̄₁ − x̄₂E99%

Zwei Dünger werden getestet. Parzellengruppe 1: 6 Parzellen, mittlerer Ertrag 73 kg, Standardabweichung 3 kg. Parzellengruppe 2: 16 Parzellen, Mittelwert 78,5 kg, Standardabweichung 1,5 kg. Nimm gleiche Varianzen an (gepoolter t-Test, df = n₁ + n₂ − 2). Bestimme die obere Grenze des 99-%-Konfidenzintervalls für μ₁ − μ₂.

n₁ = 6x̄₁ = 73s₁ = 3n₂ = 16x̄₂ = 78,5s₂ = 1,599%t(20) = 2,845
obere Grenze = kg
11.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−1,621,62p = ?

Der Mittelwert einer Grundgesamtheit soll 500 betragen; die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist bekanntermaßen 20. Eine Zufallsstichprobe von 25 Beobachtungen hat den Mittelwert 506,48. Teste H₀: μ = 500 gegen H₁: μ ≠ 500. Bestimme den p-Wert p.

μ₀ = 500σ = 20n = 25x̄ = 506,48H₁: μ ≠ μ₀
p =
12.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
−1,961,96z = ?

In einer Studie erholen sich 120 von 200 Patienten unter Behandlung A und 126 von 200 Patienten unter Behandlung B. Bestimme mit dem gepoolten Anteil die Teststatistik z für H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 120n₁ = 200x₂ = 126n₂ = 200
z =
13.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy163419482260256328803196xy15202530406080100

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Temperatur in °C und y = verkaufte Eiskugeln. Bestimme den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 6
r =
14.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy125220318416514612xy246152025x = 1,5

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Fahrzeugalter in Jahren und y = Preis in k€. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Eine neue Beobachtung (1,5, 26) wird gemacht. Bestimme ihr Residuum e = y − ŷ.

n = 6(1,5, 26)
e =
15.Chi-Quadrat-TestsMittel
kein MangelgeringschwerSummeTagschicht303443107Nachtschicht12161543Summe425058150

Die Kontingenztafel zeigt beobachtete Häufigkeiten. Bestimme für einen Chi-Quadrat-Unabhängigkeitstest die erwartete Häufigkeit E für die Zelle „Tagschicht, kein Mangel“.

Zeilensumme = 107Spaltensumme = 42N = 150
E =
16.Chi-Quadrat-TestsSchwer
bestandennicht bestandenSummeWerk A75580Werk B211940Werk C6931100Summe16555220dfα = 0,05α = 0,0113,8416,63525,9919,21037,81511,34549,48813,277511,07015,086612,59216,812714,06718,475815,50720,090916,91921,6661018,30723,209

Die Tabelle zeigt beobachtete Häufigkeiten. Prüfe auf dem Niveau α = 0,01, ob die beiden Variablen unabhängig sind (ohne Stetigkeitskorrektur). Berechne die Prüfgröße χ² und vergleiche sie mit dem kritischen Wert aus der Tabelle.

N = 2203 × 2α = 0,01
χ² =

3Lösungen

1.Forschungsmethoden der Psychologie

Antwort: A · Chi-Quadrat-Unabhängigkeitstest

Warum das die Antwort ist

Der Chi-Quadrat-Test vergleicht beobachtete mit erwarteten Häufigkeiten in einer Kontingenztafel, um zu prüfen, ob zwei kategoriale Variablen zusammenhängen.

Antwort

A · Chi-Quadrat-Unabhängigkeitstest
2.Forschungsmethoden der Psychologie

Antwort: D · Darüber reflektiert, wie ihr eigener Hintergrund und ihre Annahmen die Auswertung prägen können

Warum das die Antwort ist

Reflexivität erkennt den Einfluss der Forscherin auf Datenerhebung und Interpretation an und ist ein zentrales Gütekriterium qualitativer Arbeit.

Antwort

D · Darüber reflektiert, wie ihr eigener Hintergrund und ihre Annahmen die Auswertung prägen können
3.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 13,58

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 = 165/6 = 27,5

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−17,5)² + (−5,5)² + (−3,5)² + 21,5² + (−4,5)² + 9,5² = 921,5

Standardabweichung

s = √(921,5/5) = 13,58

Antwort

s = 13,58
4.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,2743

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 = 0,6

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(0,6) = 0,7257
P = 1 − 0,7257 = 0,2743

Antwort

P = 0,2743
5.Wahrscheinlichkeit

Antwort: Var(X) = 1,548

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 + 1·0,3 + 2·0,05 + 3·0,35 = 1,45

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 0·0,3 + 1·0,3 + 4·0,05 + 9·0,35 = 3,65

Varianz

Var(X) = 3,65 − 1,45² = 1,548

Antwort

Var(X) = 1,548
6.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,1875

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.

Null und ein Ausfall

P(X = 0) = 0,55 = 0,03125
P(X = 1) = 5·0,5·0,54 = 0,1563

Addieren

P = 0,03125 + 0,1563 = 0,1875

Antwort

P = 0,1875
7.Normalverteilung

Antwort: z = 2,09

Von einer Fläche zurück zu z: Φ(z) ist die Fläche links von z. Für eine linke Randfläche A suche in der Tabelle z mit Φ(z) = A. Eine rechte Randfläche A bedeutet Φ(z) = 1 − A. Eine zentrale Fläche A zwischen −z und z lässt (1 − A)/2 auf jedem Rand übrig, also Φ(z) = (1 + A)/2. Für einen Wert x verwende x = μ + zσ.

Fläche links von z

Φ(z) = 1 − 0,0183 = 0,9817

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,9817 in der Tabelle und lies z ab.

z = 2,09

Antwort

z = 2,09
8.Normalverteilung

Antwort: x = 48,55 Punkte

Normalverteilung: Rechne einen Wert x in einen z-Wert um, z = (x − μ)/σ; er gibt an, wie viele Standardabweichungen x vom Mittelwert entfernt liegt. Eine z-Tabelle (oder Φ(z)) liefert die Fläche links von z, also P(X < x). Die Fläche rechts ist 1 − Φ(z), und die Fläche zwischen zwei Werten ist die Differenz ihrer beiden Flächen.

z für das Perzentil

Φ(z) = 0,05 → z = −1,645

Zurück zu x

x = 65 + −1,645·10 = 48,55 Punkte

Antwort

x = 48,55 Punkte
9.Konfidenzintervalle

Antwort: E = 3,083

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 = 9, t = 3,25

Fehlermarge

E = 3,25·3/√10 = 3,083

Antwort

E = 3,083
10.Konfidenzintervalle

Antwort: obere Grenze = −2,797 kg

Interval for a difference: estimate ± critical value × standard error. For two independent means with known σ: SE = √(σ₁²/n₁ + σ₂²/n₂) and z. With equal unknown variances: pooled s_p and t with n₁ + n₂ − 2 degrees of freedom. For paired data, work with the differences: d̄ ± t·s_d/√n.

Gepoolte Standardabweichung

sp² = (5·3² + 15·1,5²)/20 = 3,938
sp = 1,984

Fehlermarge

E = 2,845·1,984·√(1/6 + 1/16) = 2,703

Intervall

−5,5 ± 2,703 → [−8,203, −2,797]

Antwort

obere Grenze = −2,797 kg
11.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: p = 0,1052

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.

Teststatistik

SE = σ/√n = 20/√25 = 4
z = (506,48 − 500)/4 = 1,62

Endfläche

Φ(1,62) = 0,9474
1 − Φ(1,62) = 0,0526

p-Wert

p = 2·0,0526 = 0,1052

Antwort

p = 0,1052

p > 0,05, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau nicht verworfen.

12.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: z = −0,6165

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.

Stichprobenanteile

p̂₁ = 120/200 = 0,6
p̂₂ = 126/200 = 0,63
p̂ = 246/400 = 0,615

Standardfehler unter H₀

SE = √(0,615·0,385·(1/200 + 1/200)) = 0,04866

Teststatistik

z = (0,6 − 0,63)/0,04866 = −0,6165

Antwort

z = −0,6165

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

13.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9873

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 = 141/6 = 23,5
ȳ = 381/6 = 63,5

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 613,5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 2452

Korrelationskoeffizient

r = 613,5/√(157,5·2452) = 0,9873

Antwort

r = 0,9873
14.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: e = 3,643

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 = 21/6 = 3,5
ȳ = 105/6 = 17,5

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −42,5

Regressionsgerade

b = −42,5/17,5 = −2,429
a = 17,5 − (−2,429)·3,5 = 26
ŷ = 26 − 2,429·x

Vorhergesagter Wert

ŷ = 26 + (−2,429)·1,5 = 22,36

Residuum

e = 26 − 22,36 = 3,643

Antwort

e = 3,643

Der Punkt liegt über der Geraden.

15.Chi-Quadrat-Tests

Antwort: E = 29,96

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 Häufigkeit

E = 107·42/150 = 29,96

Antwort

E = 29,96
16.Chi-Quadrat-Tests

Antwort: χ² = 27,72

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

Werk A: 60, 20
Werk B: 30, 10
Werk C: 75, 25

Chi-Quadrat-Prüfgröße

χ² = (75 − 60)²/60 + (5 − 20)²/20 + (21 − 30)²/30 + (19 − 10)²/10 + (69 − 75)²/75 + (31 − 25)²/25
χ² = 27,72

Entscheidung

df = 2, χ²crit = 9,210
27,72 > 9,210

Antwort

χ² = 27,72

χ² liegt über dem kritischen Wert, also wird H₀ verworfen: Die Variablen scheinen zusammenzuhängen.

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