心理学研究法・心理統計:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、16 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

記述統計

平均
x̄ = Σx/n
標本標準偏差
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
中央値
並べ替えたデータの真ん中の値
z スコア
z = (x − μ)/σ
正規分布
±1σ 以内に 68%、±2σ 以内に 95%

確率

余事象
P(not A) = 1 − P(A)
加法定理
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
独立な事象
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
条件付き確率
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
二項分布
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

正規分布

z スコア
z = (x − μ)/σ
x 未満
P(X < x) = Φ(z)
x より大きい
P(X > x) = 1 − Φ(z)
2 つの値の間
Φ(z2) − Φ(z1)
パーセンタイル
x = μ + z·σ

解き方

  1. 値を z スコアに変換します:z = (x − μ)/σ。
  2. z より左側の面積 Φ(z) を表で調べます。
  3. 右側の面積は 1 − Φ(z)、区間の面積は 2 つの左側の面積の差です。
  4. パーセンタイルでは逆にたどります:面積から z を求め、x = μ + z·σ とします。

信頼区間

σ が既知
x̄ ± z·σ/√n
σ が未知
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
z の臨界値
90%: 1.645, 95%: 1.96, 99%: 2.576
標本サイズ
n = (z·σ/E)², rounded up

解き方

  1. z(母集団の σ が既知)と t(標本の s しかなく、自由度 n − 1)のどちらを使うか判断します。
  2. 信頼水準に対応する臨界値を求めます。
  3. 誤差の幅:E = 臨界値 × 標準偏差/√n。
  4. 区間:x̄ ± E。

仮説検定と信頼区間

平均の z 検定
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
平均の t 検定
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
有意水準 5% の両側検定
|z| > 1.96 なら H0 を棄却
信頼区間
x̄ ± z·σ/√n

解き方

  1. H₀ と H₁ を立て、片側検定か両側検定かを決めます。
  2. 検定統計量を計算します:(x̄ − μ₀)/(σ/√n)、または s と t を使います。
  3. 臨界値と比較するか、p 値を求めます。
  4. 統計量が臨界値を超えていれば(p が α より小さければ)H₀ を棄却し、結論を言葉で述べます。

線形回帰と相関

平方和
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
傾き
b = Sxy/Sxx
切片
a = ȳ − b·x̄
相関
r = Sxy/√(SxxSyy)
残差
e = y − ŷ

カイ二乗検定

検定統計量
χ² = Σ(O − E)²/E
適合度
E = n·p, df = k − 1 − (estimated parameters)
独立性
E = row total × column total / grand total, df = (r − 1)(c − 1)
臨界値(α = 0.05)
df 1: 3.841, 2: 5.991, 3: 7.815, 4: 9.488
判断
χ² > χ²crit なら H0 を棄却

2演習問題

1.心理学研究法ふつう

第 1 種の過誤が起こるのは、研究者がどうしたときですか?

  1. Aデータを集めすぎたとき
  2. B誤った帰無仮説を棄却しなかったとき
  3. C実際には正しい帰無仮説を棄却したとき
  4. D間違った統計的検定を使ったとき
2.心理学研究法むずかしい

多くの研究者が、p 値を効果量と信頼区間とともに報告すべきだと主張するのはなぜですか?

  1. A効果量があれば標本サイズは有意性と無関係になるから
  2. Bp 値は仮説が正しい確率を示すから
  3. C信頼区間は質的研究でしか必要ないから
  4. Dp 値は効果がどれほど大きく精密なのかを示さないから
3.記述統計ふつう
152025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:49, 18, 13, 56, 19, 51。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 60、標準偏差 12 の正規分布に従います。72 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 60σ = 12x = 72
P =
5.確率ふつう
P(少なくとも 1 回 6 が出る) = ??1?2?3?4?5?6?7?8P(6) = 各回 1/6

公正なさいころを 8 回振ります。少なくとも 1 回 6 が出る確率 P はいくつですか?

n = 8
P =
6.確率むずかしい
xp(x)00.1510.220.230.140.35μ

X は示された分布をもち、Y = 5X + 10 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0.15, 0.2, 0.2, 0.1, 0.35Y = 5X + 10
σY =
7.正規分布ふつう
76127.75P = ?

IQ スコアは、平均 100 点、標準偏差 15 点 の正規分布に従います。76 から 127.75 点 の間にある割合はいくらですか?P を小数で答えなさい。

μ = 100σ = 15x1 = 76x2 = 127.75
P =
8.正規分布むずかしい
4 s0X − Y?

走者 A の周回タイム X と走者 B の周回タイム Y は独立な正規変数です:X は平均 52 s、標準偏差 4 s、Y は平均 48 s、標準偏差 3 s です。X が Y より大きい確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

μX = 52 s, σX = 4 sμY = 48 s, σY = 3 s
P =
9.信頼区間ふつう
μ₁ − μ₂0LUx̄₁ − x̄₂E = ?90%

2 つの機種のスマートフォンの電池持続時間を比べます。機種 1:60 台、平均 61.5 h、既知の標準偏差 13 h。機種 2:80 台、平均 59.5 h、既知の標準偏差 14 h。 μ₁ − μ₂ の 90% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n₁ = 60x̄₁ = 61.5 hσ₁ = 13 hn₂ = 80x̄₂ = 59.5 hσ₂ = 14 h90%
E = h
10.信頼区間むずかしい
σ = 38, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 0.590%

母標準偏差は 38 です。平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 0.5 以下にするには、どれだけの標本サイズ n が必要ですか?

σ = 38E = 0.590%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −1.98401.984

学生 100 人の標本の平均点は 497.4、標本標準偏差は 12 です。H₀: μ = 500 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 500x̄ = 497.4s = 12n = 100
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 10, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1.590%

平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 1.5 以下にするには、標本はどれだけ大きくなければなりませんか?標準偏差は 10 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 10E = 1.590%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy36458078891041111213135xy510100

表は x = 勉強時間 と y = 試験の得点 の 6 組の対になった観測値を示しています。 それらの和が与えられています。これらの和からピアソンの相関係数 r を求めなさい。

n = 6Σx = 48Σy = 583Σx² = 454Σy² = 59825Σxy = 5131
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy143817472061237126812995xy15202530406080100ŷ = 77

表は x = 気温 (°C) と y = アイスクリームの販売数 の 6 組の対になった観測値を示しています。 最小二乗直線 ŷ = a + b·x を用います。 直線が ŷ = 77 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 77
x =
15.カイ二乗検定ふつう
低中高合計都市部22244086農村部224145108合計446585194

分割表は観測度数を示しています。カイ二乗独立性検定のために、セル「都市部、高」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 86列の合計 = 85N = 194
E =
16.カイ二乗検定むずかしい
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

カイ二乗適合度検定で、9 個のカテゴリーの度数が、同じデータから平均を推定したポアソン分布に従うかどうかを調べます。 表を使って、有意水準 α = 0.01 での臨界値 χ²crit を求めなさい。

α = 0.01
χ²crit =

3溶液

1.心理学研究法

答え: C · 実際には正しい帰無仮説を棄却したとき

これが答えになる理由

第 1 種の過誤は存在しない効果があると主張することです。その確率は有意水準(多くは 0.05)に等しくなります。第 2 種の過誤は本当の効果を見逃すことです。

答え

C · 実際には正しい帰無仮説を棄却したとき
2.心理学研究法

答え: D · p 値は効果がどれほど大きく精密なのかを示さないから

これが答えになる理由

p 値は標本サイズに強く依存し、帰無仮説のもとでデータがどれほど意外かを示すだけです。効果量は大きさを、信頼区間は精度を示します。

答え

D · p 値は効果がどれほど大きく精密なのかを示さないから
3.記述統計

答え: s = 19.59

記述統計:平均は合計を n で割ったもの、中央値は並べ替えたデータの真ん中の値です(n が偶数なら真ん中 2 つの平均)。標本標準偏差は s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))。z スコア z = (x − μ)/σ は、値が平均から標準偏差何個分離れているかを表します。

平均

x̄ = 206/6 = 34.33

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 14.67² + (−16.33)² + (−21.33)² + 21.67² + (−15.33)² + 16.67² = 1919

標準偏差

s = √(1919/5) = 19.59

答え

s = 19.59
4.記述統計

答え: P = 0.1587

記述統計:平均は合計を n で割ったもの、中央値は並べ替えたデータの真ん中の値です(n が偶数なら真ん中 2 つの平均)。標本標準偏差は s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))。z スコア z = (x − μ)/σ は、値が平均から標準偏差何個分離れているかを表します。

標準化する

z = 1

標準正規分布表

Φ(1) = 0.8413
P = 1 − 0.8413 = 0.1587

答え

P = 0.1587
5.確率

答え: P = 0.7674

確率:どの結果も同様に確からしいとき、P(A) = 該当する場合の数/全体の場合の数。独立な事象は掛け合わせます:P(A かつ B) = P(A)·P(B)。余事象がよく役立ちます:P(少なくとも 1 回) = 1 − P(1 回もない)。二項分布:成功確率 p の独立な試行を n 回行うと、P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ。

余事象

P(6 が出ない) = (5/6)8 = 0.2326
P = 1 − 0.2326 = 0.7674

答え

P = 0.7674
6.確率

答え: σY = 7.433

離散確率変数:確率分布は、変数がとりうるすべての値 x とその確率 p(x) を並べたものです。確率は 0 と 1 の間にあり、合計は 1 になります。期待値(平均)は E(X) = Σx·p(x) で、長期的な平均です。分散は Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ²、標準偏差は σ = √Var(X) です。一次変換 Y = aX + b では E(Y) = a·E(X) + b、Var(Y) = a²·Var(X)、σY = |a|·σX となり、定数を加えてもばらつきは変わりません。

X のばらつき

μ = 2.3, Var(X) = 2.21, σX = 1.487

一次変換

σY = |5|·1.487 = 7.433

答え

σY = 7.433

平均は変化します:E(Y) = 5·2.3 + 10 = 21.5。

7.正規分布

答え: P = 0.913

正規分布:値 x を z スコア z = (x − μ)/σ に変換します。これは平均から標準偏差何個分離れているかを表します。z 表(または Φ(z))は z より左側の面積、つまり P(X < x) を与えます。右側の面積は 1 − Φ(z)、2 つの値の間の面積はそれぞれの左側の面積の差です。

z スコア

z₁ = (76 − 100)/15 = −1.6
z₂ = (127.75 − 100)/15 = 1.85

間の面積

P = Φ(1.85) − Φ(−1.6) = 0.9678 − 0.0548 = 0.913

答え

P = 0.913
8.正規分布

答え: P = 0.7881

正規変数の和と差:X と Y が独立で正規分布に従うなら、X + Y と X − Y も正規分布に従います。平均は足したり引いたりします:E(X ± Y) = μX ± μY。分散は差の場合でも常に足します:Var(X ± Y) = σX² + σY²、したがって σ = √(σX² + σY²) です。標準偏差を直接足すことはありません。同じ分布に従う独立な n 個の合計は、平均 n·μ、標準偏差 σ·√n です。そのあとはいつもどおり標準化します:z = (x − 平均)/σ とし、Φ(z) を読み取ります。

差の分布

μ = 52 − 48 = 4 s, σ = 5 s

標準化する

z = (0 − 4)/5 = −0.8

確率

P = 1 − Φ(−0.8) = 0.7881

答え

P = 0.7881
9.信頼区間

答え: E = 3.775 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.

点推定値

x̄₁ − x̄₂ = 61.5 − 59.5 = 2

標準誤差

SE = √(13²/60 + 14²/80) = 2.295

誤差の幅

E = 1.645·2.295 = 3.775

答え

E = 3.775 h

区間は 0 を含むので、データは有意な差を示していません。

10.信頼区間

答え: n = 15631

平均の信頼区間:x̄ ± 誤差の幅。母集団の σ が既知なら誤差の幅は z·σ/√n、標本標準偏差 s しかなければ自由度 n − 1 の t を使って t·s/√n です。臨界値:z = 1.645(90%)、1.96(95%)、2.576(99%)。誤差の幅を E 以下にするには n ≥ (z·σ/E)² が必要で、端数は切り上げます。

n について解く

n = (1.645·38/0.5)² = 15630

切り上げる

標本サイズは整数であり、切り捨てると誤差の幅が大きくなりすぎます。

n = 15631

答え

n = 15631
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −2.167

平均の検定:検定統計量は、標本平均が H₀ で主張された値から標準誤差何個分離れているかを表します:σ が既知なら z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n)、標本から推定するなら t = (x̄ − μ₀)/(s/√n)。信頼区間は x̄ ±(臨界値)·(標準誤差)です。

標準誤差

SE = 12/√100 = 12/10 = 1.2

検定統計量

t = (497.4 − 500)/1.2 = −2.167

答え

t = −2.167
t0.025; df = 99 = 1.984

|t| > 1.984 なので、有意水準 5%(両側)で H₀ は棄却されます。

12.仮説検定と信頼区間

答え: n = 121

平均の検定:検定統計量は、標本平均が H₀ で主張された値から標準誤差何個分離れているかを表します:σ が既知なら z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n)、標本から推定するなら t = (x̄ − μ₀)/(s/√n)。信頼区間は x̄ ±(臨界値)·(標準誤差)です。

n について解く

n = (1.645·10/1.5)² = 120.3

切り上げる

n = 121

答え

n = 121
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9903

最小二乗回帰:x̄ と ȳ を平均とし、Sxx = Σ(x − x̄)²、Syy = Σ(y − ȳ)²、Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) とすると、直線 ŷ = a + b·x の傾きは b = Sxy/Sxx、切片は a = ȳ − b·x̄ なので、この直線は必ず (x̄, ȳ) を通ります。ピアソンの相関係数 r = Sxy/√(Sxx·Syy) は −1 から 1 の間の値をとります。r² は y の変動のうち直線で説明される割合です。

偏差平方和・偏差積和

Sxy = 5131 − 48·583/6 = 467
Sxx = 454 − 48²/6 = 70
Syy = 59825 − 583²/6 = 3177

相関係数

r = 467/√(70·3177) = 0.9903

答え

r = 0.9903
14.線形回帰と相関

答え: x = 24.54

最小二乗回帰:x̄ と ȳ を平均とし、Sxx = Σ(x − x̄)²、Syy = Σ(y − ȳ)²、Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) とすると、直線 ŷ = a + b·x の傾きは b = Sxy/Sxx、切片は a = ȳ − b·x̄ なので、この直線は必ず (x̄, ȳ) を通ります。ピアソンの相関係数 r = Sxy/√(Sxx·Syy) は −1 から 1 の間の値をとります。r² は y の変動のうち直線で説明される割合です。

平均

x̄ = 129/6 = 21.5
ȳ = 393/6 = 65.5

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 595.5

回帰直線

b = 595.5/157.5 = 3.781
a = 65.5 − 3.781·21.5 = −15.79
ŷ = −15.79 + 3.781·x

x について解く

x = (77 − (−15.79))/3.781 = 24.54

答え

x = 24.54
15.カイ二乗検定

答え: E = 37.68

カイ二乗検定:観測度数 O と H₀ のもとでの期待度数 E を χ² = Σ(O − E)²/E で比べます。適合度検定:各カテゴリーで E = n·p、自由度 df = k − 1(データから推定したパラメータ 1 つごとにさらに 1 を引く)。r × c 表での独立性の検定:E = 行の合計 × 列の合計 / 総計、df = (r − 1)(c − 1)。χ² が選んだ α での臨界値を超えたら H₀ を棄却します。

期待度数

E = 86·85/194 = 37.68

答え

E = 37.68
16.カイ二乗検定

答え: χ²crit = 18.48

カイ二乗検定:観測度数 O と H₀ のもとでの期待度数 E を χ² = Σ(O − E)²/E で比べます。適合度検定:各カテゴリーで E = n·p、自由度 df = k − 1(データから推定したパラメータ 1 つごとにさらに 1 を引く)。r × c 表での独立性の検定:E = 行の合計 × 列の合計 / 総計、df = (r − 1)(c − 1)。χ² が選んだ α での臨界値を超えたら H₀ を棄却します。

自由度

df = 9 − 1 − 1 = 7

表

χ²crit(df = 7, α = 0.01) = 18.475

答え

χ²crit = 18.475

計算した χ² がこの値より大きければ H₀ を棄却します。

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