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

Aufforderungscharakteristika (Demand Characteristics) sind:

  1. ADie förmlichen Anforderungen einer Ethikkommission, bevor eine Studie beginnen darf
  2. BMerkmale der Stichprobe
  3. CHinweise, die Teilnehmende das Ziel erraten und ihr Verhalten ändern lassen
  4. DStatistische Voraussetzungen eines Tests
2.Forschungsmethoden der PsychologieSchwer

Sport verringert Depression, und der Effekt tritt auf, weil Sport den Schlaf verbessert, der seinerseits die Depression senkt. Schlaf lässt sich am besten beschreiben als:

  1. AStörvariable
  2. BModerator
  3. CMediator
  4. DKontrollvariable
3.Beschreibende StatistikMittel
10152025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 25, 31, 38, 40, 58, 10.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 12. Welcher Anteil P der Werte liegt über 35,6?

μ = 50σ = 12x = 35,6
P =
5.WahrscheinlichkeitMittel
n = 10k = 3N = ?

Auf wie viele Arten N kann ein Ausschuss von 3 Personen aus einer Gruppe von 10 gewählt werden? Die Reihenfolge spielt keine Rolle.

n = 10k = 3
N =
6.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−100,89100,1900,01

Ein Spiel kostet €10 Einsatz. Du gewinnst €20 mit der Wahrscheinlichkeit 0,1 und €100 mit der Wahrscheinlichkeit 0,01; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €10€20: p = 0,1€100: p = 0,01
E(G) = €
7.NormalverteilungMittel
32 min29,5 minX + Y?

X ist normalverteilt mit dem Mittelwert 12 min und der Standardabweichung 1,5 min; Y ist unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 20 min und der Standardabweichung 2 min. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X + Y größer als 29,5 min ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 12, σX = 1,5μY = 20, σY = 2X + Y > 29,5 min
P =
8.NormalverteilungSchwer
10 cm0X − Y?

Die Körpergrößen X von Männern und Y von Frauen in einer Gruppe sind unabhängig und normalverteilt: X hat den Mittelwert 180 cm und die Standardabweichung 10 cm, Y hat den Mittelwert 170 cm und die Standardabweichung 12 cm. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X größer als Y ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =
9.KonfidenzintervalleMittel
μ₁ − μ₂0L = ?Ux̄₁ − x̄₂E95%

Die Akkulaufzeit zweier Handymodelle wird verglichen. Modell 1: 80 Handys, Mittelwert 50 h, bekannte Standardabweichung 19 h. Modell 2: 40 Handys, Mittelwert 54,5 h, bekannte Standardabweichung 9 h. Bestimme die untere Grenze des 95-%-Konfidenzintervalls für μ₁ − μ₂.

n₁ = 80x̄₁ = 50 hσ₁ = 19 hn₂ = 40x̄₂ = 54,5 hσ₂ = 9 h95%
untere Grenze = h
10.KonfidenzintervalleSchwer
σ = 32, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 295%

Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 32. Wie groß muss die Stichprobe n sein, damit ein 95-%-Konfidenzintervall für den Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 2 hat?

σ = 32E = 295%
n =
11.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−1,961,96z = ?

Zwei Fertigungslinien stellen dasselbe Teil her. Linie 1: Eine Stichprobe von 40 Teilen hat die mittlere Länge 127 mm, und die bekannte Standardabweichung der Linie ist 20 mm. Linie 2: Eine Stichprobe von 40 Teilen hat den Mittelwert 135,9 mm, bekannte Standardabweichung 20 mm. Bestimme die Teststatistik z für H₀: μ₁ = μ₂, mit der Differenz x̄₁ − x̄₂ (Linie 1 minus Linie 2).

n₁ = 40x̄₁ = 127 mmσ₁ = 20 mmn₂ = 40x̄₂ = 135,9 mmσ₂ = 20 mm
z =
12.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
z −1,64501,645

Eine Stichprobe von 49 Messungen hat den Mittelwert 506,4. Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 15. Bestimme die obere Grenze U des 90-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

x̄ = 506,4σ = 15n = 4990%
U =
13.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy3425567659731188xy510406080

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
xy155018622173248427109xy1520256080100x = 25,5

Die Tabelle enthält 5 Wertepaare von x = Temperatur in °C und y = verkaufte Eiskugeln. Verwende die Regressionsgerade ŷ = a + b·x nach der Methode der kleinsten Quadrate. Eine neue Beobachtung (25,5, 101) wird gemacht. Bestimme ihr Residuum e = y − ŷ.

n = 5(25,5, 101)
e =
15.Chi-Quadrat-TestsMittel
Hustenkein HustenSummeRaucher423880Nichtraucher36440Summe7842120

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

N = 1202 × 2
χ² =
16.Chi-Quadrat-TestsSchwer

Ein Chi-Quadrat-Anpassungstest prüft, ob die Häufigkeiten in 9 Kategorien einer Poisson-Verteilung folgen, deren Mittelwert aus denselben Daten geschätzt wird. Wie viele Freiheitsgrade df hat der Test?

k = 9
df =

3Lösungen

1.Forschungsmethoden der Psychologie

Antwort: C · Hinweise, die Teilnehmende das Ziel erraten und ihr Verhalten ändern lassen

Warum das die Antwort ist

Wenn Teilnehmende die Hypothese durchschauen, verhalten sie sich womöglich so, dass sie sie bestätigen oder sabotieren; das gefährdet die Validität. Täuschung und Blindverfahren verringern dies.

Antwort

C · Hinweise, die Teilnehmende das Ziel erraten und ihr Verhalten ändern lassen
2.Forschungsmethoden der Psychologie

Antwort: C · Mediator

Warum das die Antwort ist

Ein Mediator liegt auf dem Kausalpfad zwischen Prädiktor und Ergebnis und erklärt, wie oder warum der Effekt auftritt.

Antwort

C · Mediator
3.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 16,08

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 = 202/6 = 33,67

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−8,667)² + (−2,667)² + 4,333² + 6,333² + 24,33² + (−23,67)² = 1293

Standardabweichung

s = √(1293/5) = 16,08

Antwort

s = 16,08
4.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,8849

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 = −1,2

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(−1,2) = 0,1151
P = 1 − 0,1151 = 0,8849

Antwort

P = 0,8849
5.Wahrscheinlichkeit

Antwort: N = 120

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.

Kombinationen

C(10, 3) = (10·9·8)/(3·2·1) = 120

Antwort

N = 120
6.Wahrscheinlichkeit

Antwort: E(G) = −7 €

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.

Nettoergebnisse

G: 10 (p = 0,1), 90 (p = 0,01), −10 (p = 0,89)

Erwartungswert

E(G) = 10·0,1 + 90·0,01 − 10·0,89 = −7 €

Antwort

E(G) = −7 €

Ein negativer Wert bedeutet, dass du im Durchschnitt Geld verlierst.

7.Normalverteilung

Antwort: P = 0,8413

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 = 32 min, σ = √(1,5² + 2²) = 2,5 min

Standardisieren

z = (29,5 − 32)/2,5 = −1

Oberer Rand

P = 1 − Φ(−1) = 1 − 0,1587 = 0,8413

Antwort

P = 0,8413
8.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7389

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 = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15,62 cm

Standardisieren

z = (0 − 10)/15,62 = −0,64

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,64) = 0,7389

Antwort

P = 0,7389
9.Konfidenzintervalle

Antwort: untere Grenze = −9,511 h

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.

Punktschätzer

x̄₁ − x̄₂ = 50 − 54,5 = −4,5

Standardfehler

SE = √(19²/80 + 9²/40) = 2,557

Fehlermarge

E = 1,96·2,557 = 5,011

Intervall

−4,5 ± 5,011 → [−9,511, 0,5114]

Antwort

untere Grenze = −9,511 h

Das Intervall enthält die 0, die Daten zeigen also keinen signifikanten Unterschied.

10.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 984

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.

Nach n auflösen

n = (1,96·32/2)² = 983,4

Aufrunden

Ein Stichprobenumfang ist eine ganze Zahl, und Abrunden würde die Fehlermarge zu groß machen.

n = 984

Antwort

n = 984
11.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: z = −1,99

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 = √(20²/40 + 20²/40) = √20 = 4,472

Teststatistik

z = (127 − 135,9)/4,472 = −1,99

Antwort

z = −1,99

|z| > 1,96, also wird H₀ auf dem 5-%-Niveau (zweiseitig) verworfen.

12.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: U = 509,9

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).

Fehlermarge

E = 1,645·15/√49 = 3,525

Intervallgrenze

U = 506,4 + 3,525 = 509,9

Antwort

U = 509,9
13.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r² = 0,9878

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 = 35/5 = 7
ȳ = 324/5 = 64,8

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 218
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1203

Bestimmtheitsmaß

r² = 218²/(40·1203) = 0,9878

Antwort

r² = 0,9878

Etwa 98,78 % der Streuung von y werden durch die Gerade erklärt.

14.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: e = 4,4

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 = 105/5 = 21
ȳ = 378/5 = 75,6

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 90
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 420

Regressionsgerade

b = 420/90 = 4,667
a = 75,6 − 4,667·21 = −22,4
ŷ = −22,4 + 4,667·x

Vorhergesagter Wert

ŷ = −22,4 + 4,667·25,5 = 96,6

Residuum

e = 101 − 96,6 = 4,4

Antwort

e = 4,4

Der Punkt liegt über der Geraden.

15.Chi-Quadrat-Tests

Antwort: χ² = 16,48

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

Raucher: 80·78/120 = 52, 80·42/120 = 28
Nichtraucher: 40·78/120 = 26, 40·42/120 = 14

Chi-Quadrat-Prüfgröße

χ² = (42 − 52)²/52 + (38 − 28)²/28 + (36 − 26)²/26 + (4 − 14)²/14
χ² = 16,48

Antwort

χ² = 16,48

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

16.Chi-Quadrat-Tests

Antwort: df = 7

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 = 9 − 1 − 1 = 7

Antwort

df = 7

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