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

Versuchsleiterbias wird am direktesten verringert durch:

  1. AEine größere Stichprobe
  2. BEine einseitige Hypothese
  3. CDatenerhebung durch eine Person, die Hypothese oder Bedingungen nicht kennt
  4. DAusschließlich Freiwillige
2.Forschungsmethoden der PsychologieSchwer

Eine größere Stichprobe in einer Studie bewirkt am direktesten:

  1. ADas Entfernen jeder Verzerrung aus der Stichprobe
  2. BEin garantiert signifikantes Ergebnis, sofern ein Effekt existiert
  3. CEine höhere statistische Teststärke (Power), um einen echten Effekt zu entdecken
  4. DEine größere Effektgröße
3.Beschreibende StatistikMittel
1520253035

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 35, 18, 11, 37, 12.

n = 5
s =
4.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 100 und Standardabweichung 10. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 104?

μ = 100σ = 10x = 104
P =
5.WahrscheinlichkeitMittel
P(mindestens eine Sechs) = ??1?2?3P(Sechs) = 1/6 bei jedem Wurf

Ein fairer Würfel wird 3-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?

n = 3
P =
6.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−100,69400,34900,01

Ein Spiel kostet €10 Einsatz. Du gewinnst €50 mit der Wahrscheinlichkeit 0,3 und €500 mit der Wahrscheinlichkeit 0,01; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €10€50: p = 0,3€500: p = 0,01
E(G) = €
7.NormalverteilungMittel
167,85186,4P = ?

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Welcher Anteil liegt zwischen 167,85 und 186,4 cm? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 178σ = 7x1 = 167,85x2 = 186,4
P =
8.NormalverteilungSchwer
μ = 178x = ?99%

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Bestimme den Wert x, unter dem 99 % von ihnen liegen (das 99. Perzentil).

μ = 178σ = 7P = 99%
x = cm
9.KonfidenzintervalleMittel
μ₁ − μ₂0LU = ?x̄₁ − x̄₂E99%

Die Akkulaufzeit zweier Handymodelle wird verglichen. Modell 1: 100 Handys, Mittelwert 52 h, bekannte Standardabweichung 15 h. Modell 2: 30 Handys, Mittelwert 50 h, bekannte Standardabweichung 10 h. Bestimme die obere Grenze des 99-%-Konfidenzintervalls für μ₁ − μ₂.

n₁ = 100x̄₁ = 52 hσ₁ = 15 hn₂ = 30x̄₂ = 50 hσ₂ = 10 h99%
obere Grenze = h
10.KonfidenzintervalleSchwer
σ = 29, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 495%

Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 29. Wie groß muss die Stichprobe n sein, damit ein 95-%-Konfidenzintervall für den Mittelwert eine Fehlermarge von höchstens 4 hat?

σ = 29E = 495%
n =
11.Hypothesentests & KonfidenzintervalleMittel
−2,0862,086t = ?df = 20

Zwei Lehrmethoden werden verglichen. Gruppe 1: 16 Studierende, mittlere Punktzahl 58, Standardabweichung 6,5. Gruppe 2: 6 Studierende, mittlere Punktzahl 50,6, Standardabweichung 10,5. Nimm gleiche Varianzen der Grundgesamtheiten an und verwende den gepoolten Zweistichproben-t-Test. Bestimme die Teststatistik t für H₀: μ₁ = μ₂, mit der Differenz x̄₁ − x̄₂ (Gruppe 1 minus Gruppe 2).

n₁ = 16x̄₁ = 58s₁ = 6,5n₂ = 6x̄₂ = 50,6s₂ = 10,5
t =
12.Hypothesentests & KonfidenzintervalleSchwer
z −1,9601,96

Eine Stichprobe von 100 Messungen hat den Mittelwert 498,2. Die Standardabweichung der Grundgesamtheit ist 8. Bestimme die untere Grenze L des 95-%-Konfidenzintervalls für den Mittelwert.

x̄ = 498,2σ = 8n = 10095%
L =
13.Lineare Regression und KorrelationMittel
xy234961382210241230xy510102030

Die Tabelle enthält 6 Wertepaare von x = Last in kN und y = Verlängerung in mm. Ihre Summen sind gegeben. Bestimme daraus den Korrelationskoeffizienten nach Pearson r.

n = 6Σx = 42Σy = 101Σx² = 364Σy² = 2219Σxy = 896
r =
14.Lineare Regression und KorrelationSchwer
xy274136158211027xy5101020x = 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
niedrigmittelhochSummestädtisch184042100ländlich222058100Summe4060100200

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

N = 2002 × 3
χ² =
16.Chi-Quadrat-TestsSchwer
dfα = 0,05α = 0,0113,8416,63525,9919,21037,81511,34549,48813,277511,07015,086612,59216,812714,06718,475815,50720,090916,91921,6661018,30723,209

Ein Chi-Quadrat-Anpassungstest prüft, ob die Häufigkeiten in 4 Kategorien einer Poisson-Verteilung folgen, deren Mittelwert aus denselben Daten geschätzt wird. Bestimme mit der Tabelle den kritischen Wert χ²crit zum Signifikanzniveau α = 0,05.

α = 0,05
χ²crit =

3Lösungen

1.Forschungsmethoden der Psychologie

Antwort: C · Datenerhebung durch eine Person, die Hypothese oder Bedingungen nicht kennt

Warum das die Antwort ist

Versuchsleiter, die die Hypothese kennen, können Teilnehmende oder Aufzeichnungen unbeabsichtigt beeinflussen. Einfach- oder Doppelblindverfahren und standardisierte Instruktionen verringern das.

Antwort

C · Datenerhebung durch eine Person, die Hypothese oder Bedingungen nicht kennt
2.Forschungsmethoden der Psychologie

Antwort: C · Eine höhere statistische Teststärke (Power), um einen echten Effekt zu entdecken

Warum das die Antwort ist

Größere Stichproben verringern den Standardfehler und erhöhen die Teststärke. Sie ändern weder die wahre Effektgröße noch beseitigen sie systematische Verzerrungen.

Antwort

C · Eine höhere statistische Teststärke (Power), um einen echten Effekt zu entdecken
3.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 12,54

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 = 113/5 = 22,6

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 12,4² + (−4,6)² + (−11,6)² + 14,4² + (−10,6)² = 629,2

Standardabweichung

s = √(629,2/4) = 12,54

Antwort

s = 12,54
4.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,6554

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 = 0,4

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(0,4) = 0,6554
P = 0,6554

Antwort

P = 0,6554
5.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,4213

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.

Gegenereignis

P(keine Sechs) = (5/6)3 = 0,5787
P = 1 − 0,5787 = 0,4213

Antwort

P = 0,4213
6.Wahrscheinlichkeit

Antwort: E(G) = 10 €

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: 40 (p = 0,3), 490 (p = 0,01), −10 (p = 0,69)

Erwartungswert

E(G) = 40·0,3 + 490·0,01 − 10·0,69 = 10 €

Antwort

E(G) = 10 €

Ein positiver Wert bedeutet, dass du im Durchschnitt Geld gewinnst.

7.Normalverteilung

Antwort: P = 0,8114

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-Werte

z₁ = (167,85 − 178)/7 = −1,45
z₂ = (186,4 − 178)/7 = 1,2

Fläche dazwischen

P = Φ(1,2) − Φ(−1,45) = 0,8849 − 0,07353 = 0,8114

Antwort

P = 0,8114
8.Normalverteilung

Antwort: x = 194,3 cm

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) = 0,99 → z = 2,326

Zurück zu x

x = 178 + 2,326·7 = 194,28 cm

Antwort

x = 194,28 cm
9.Konfidenzintervalle

Antwort: obere Grenze = 8,087 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 = 52 − 50 = 2

Standardfehler

SE = √(15²/100 + 10²/30) = 2,363

Fehlermarge

E = 2,576·2,363 = 6,087

Intervall

2 ± 6,087 → [−4,087, 8,087]

Antwort

obere Grenze = 8,087 h

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

10.Konfidenzintervalle

Antwort: n = 202

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 = (1,96·29/4)² = 201,9

Aufrunden

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

n = 202

Antwort

n = 202
11.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: t = 2,008

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.

Gepoolte Varianz

sp² = (15·6,5² + 5·10,5²)/20 = 59,25
sp = 7,697

Standardfehler

SE = 7,697·√(1/16 + 1/6) = 3,685

Teststatistik

t = (58 − 50,6)/3,685 = 2,008

Antwort

t = 2,008

Bei df = 20 ist der zweiseitige kritische 5-%-Wert 2,086; |t| ist kleiner, also wird H₀ nicht verworfen.

12.Hypothesentests & Konfidenzintervalle

Antwort: L = 496,6

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 = 1,96·8/√100 = 1,568

Intervallgrenze

L = 498,2 − 1,568 = 496,6

Antwort

L = 496,6
13.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: r = 0,9917

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.

Zentrierte Summen

Sxy = 896 − 42·101/6 = 189
Sxx = 364 − 42²/6 = 70
Syy = 2219 − 101²/6 = 518,8

Korrelationskoeffizient

r = 189/√(70·518,8) = 0,9917

Antwort

r = 0,9917
14.Lineare Regression und Korrelation

Antwort: ŷ = 19

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 = 83/5 = 16,6

Quadrat- und Produktsummen

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 96

Regressionsgerade

b = 96/40 = 2,4
a = 16,6 − 2,4·6 = 2,2
ŷ = 2,2 + 2,4·x

Vorhersage

ŷ = 2,2 + 2,4·7 = 19

Antwort

ŷ = 19
15.Chi-Quadrat-Tests

Antwort: χ² = 9,627

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

städtisch: 100·40/200 = 20, 100·60/200 = 30, 100·100/200 = 50
ländlich: 100·40/200 = 20, 100·60/200 = 30, 100·100/200 = 50

Chi-Quadrat-Prüfgröße

χ² = (18 − 20)²/20 + (40 − 30)²/30 + (42 − 50)²/50 + (22 − 20)²/20 + (20 − 30)²/30 + (58 − 50)²/50
χ² = 9,627

Antwort

χ² = 9,627

df = 2. Bei α = 0,05 ist der kritische Wert 5,991, also wird H₀ (Unabhängigkeit) verworfen.

16.Chi-Quadrat-Tests

Antwort: χ²crit = 5,991

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 = 4 − 1 − 1 = 2

Tabelle

χ²crit(df = 2, α = 0,05) = 5,991

Antwort

χ²crit = 5,991

Verwirf H₀, wenn das berechnete χ² größer als dieser Wert ist.

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