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

審査員による絵画の順位づけのような、2 組の順位の関係に適した統計量はどれですか?

  1. Aピアソンの r
  2. Bカイ二乗
  3. C対応のない t 検定
  4. Dスピアマンの順位相関係数(ρ)
2.心理学研究法むずかしい

順序尺度での事前・事後得点のように、対応のある 2 つの標本を比較するノンパラメトリック検定はどれですか?

  1. Aウィルコクソンの符号付順位検定
  2. Bカイ二乗の独立性の検定
  3. Cマン・ホイットニーの U 検定
  4. D独立した 2 群の t 検定
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:57, 13, 17, 12, 26。

n = 5
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。50.4 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 60σ = 12x = 50.4
P =
5.確率ふつう
xp(x)100.35200.15300.35400.15μ = 23

示された分布について、X の分散 Var(X) を求めなさい。

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.35, 0.15, 0.35, 0.15
Var(X) =
6.確率むずかしい
xp(x)100.2200.2300.25400.35μ

X は示された分布をもち、Y = 2X + 1 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.2, 0.2, 0.25, 0.35Y = 2X + 1
σY =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123z−z から z の間の色つき面積 = 0.9576

標準正規曲線の下で、−z から z の間の色つき面積が 0.9576 になるように z をドラッグします。z を小数第 2 位まで求めなさい。

A = 0.9576
z =
8.正規分布むずかしい
μ = 500x = ?10%

電池の寿命は、平均 500 h、標準偏差 40 h の正規分布に従います。全体の 10% がそれより下にある値 x(第 10 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 500σ = 40P = 10%
x = h
9.信頼区間ふつう
n = 6, s = 19L = ?Ux̄ = 87.5E90%

6 個からなる標本の平均は 87.5、標準偏差は s = 19 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 90% 信頼区間の下限を求めなさい。

n = 6x̄ = 87.5s = 1990%t(5) = 2.015
下限 =
10.信頼区間むずかしい
μ₁ − μ₂, t(20) = 2.0860LUx̄₁ − x̄₂E = ?95%

2 種類の肥料を試験します。区画群 1:13 区画、平均収量 33 kg、標準偏差 1 kg。区画群 2:9 区画、平均 29 kg、標準偏差 8.5 kg。等分散を仮定します(プールした t、df = n₁ + n₂ − 2)。 μ₁ − μ₂ の 95% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n₁ = 13x̄₁ = 33s₁ = 1n₂ = 9x̄₂ = 29s₂ = 8.595%t(20) = 2.086
E = kg
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −2.06402.064

学生 25 人の標本の平均点は 495.8、標本標準偏差は 8 です。H₀: μ = 500 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 500x̄ = 495.8s = 8n = 25
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.9601.96

16 回の測定の標本平均は 198.2 です。母標準偏差は 8 です。平均の 95% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 198.2σ = 8n = 1695%
L =
13.線形回帰と相関ふつう
xy123220319415513613xy2461520

表は x = 車の年数(年) と y = 価格(k€) 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 = 21Σy = 103Σx² = 91Σy² = 1853Σxy = 323
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy123221320420519614xy2461520ŷ = 22

表は x = 車の年数(年) と y = 価格(k€) 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 = 22 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 22
x =
15.カイ二乗検定ふつう
バス自転車車合計学生472647120職員254649120合計727296240

分割表は観測度数を示しています。行の変数と列の変数の独立性の検定について、カイ二乗統計量 χ² を計算しなさい。連続性の補正は使いません。

N = 2402 × 3
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
はいいいえ合計18~30 歳564410031~50 歳17234051 歳以上471360合計12080200dfα = 0.05α = 0.0113.8416.63525.9919.21037.81511.34549.48813.277511.07015.086612.59216.812714.06718.475815.50720.090916.91921.6661018.30723.209

表は観測度数を示しています。2 つの変数が独立かどうかを α = 0.01 で検定しなさい(連続性の補正なし)。検定統計量 χ² を計算し、表の臨界値と比べなさい。

N = 2003 × 2α = 0.01
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: D · スピアマンの順位相関係数(ρ)

これが答えになる理由

スピアマンの順位相関は、2 つの順位づけされた変数や順序変数の間の単調な関係の強さを測ります。

答え

D · スピアマンの順位相関係数(ρ)
2.心理学研究法

答え: A · ウィルコクソンの符号付順位検定

これが答えになる理由

ウィルコクソンの符号付順位検定は対応のある順序データに用い、マン・ホイットニーの U 検定は独立した群に対する同等の検定です。

答え

A · ウィルコクソンの符号付順位検定
3.記述統計

答え: s = 18.72

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 = 125/5 = 25

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 32² + (−12)² + (−8)² + (−13)² + 1² = 1402

標準偏差

s = √(1402/4) = 18.72

答え

s = 18.72
4.記述統計

答え: P = 0.2119

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 = −0.8

標準正規分布表

Φ(−0.8) = 0.2119
P = 0.2119

答え

P = 0.2119
5.確率

答え: Var(X) = 121

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。

平均

μ = 10·0.35 + 20·0.15 + 30·0.35 + 40·0.15 = 23

2 乗の平均

E(X²) = 100·0.35 + 400·0.15 + 900·0.35 + 1600·0.15 = 650

分散

Var(X) = 650 − 23² = 121

答え

Var(X) = 121
6.確率

答え: σY = 22.69

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 = 27.5, Var(X) = 128.8, σX = 11.35

一次変換

σY = |2|·11.35 = 22.69

答え

σY = 22.69

平均は変化します:E(Y) = 2·27.5 + 1 = 56。

7.正規分布

答え: z = 2.03

面積から z へ戻る:Φ(z) は z の左側の面積です。左側の裾の面積 A なら、表で Φ(z) = A となる z を見つけます。右側の裾の面積 A なら Φ(z) = 1 − A です。−z から z の間の中央の面積 A なら、各裾に (1 − A)/2 が残るので、Φ(z) = (1 + A)/2 です。値 x には x = μ + zσ を使います。

z の左側の面積

Φ(z) = (1 + 0.9576)/2 = 0.9788

z 表を逆に読む

表の中で 0.9788 を見つけ、z を読み取ります。

z = 2.03

答え

z = 2.03
8.正規分布

答え: x = 448.7 h

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。

パーセンタイルに対応する z

Φ(z) = 0.1 → z = −1.282

x に戻す

x = 500 + −1.282·40 = 448.74 h

答え

x = 448.74 h
9.信頼区間

答え: 下限 = 71.87

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。

臨界値

df = n − 1 = 5, t = 2.015

誤差の幅

E = 2.015·19/√6 = 15.63

区間

87.5 ± 15.63 → [71.87, 103.1]

答え

下限 = 71.87
10.信頼区間

答え: E = 4.913 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.

プールした標準偏差

sp² = (12·1² + 8·8.5²)/20 = 29.5
sp = 5.431

誤差の幅

E = 2.086·5.431·√(1/13 + 1/9) = 4.913

答え

E = 4.913 kg
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −2.625

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 = 8/√25 = 8/5 = 1.6

検定統計量

t = (495.8 − 500)/1.6 = −2.625

答え

t = −2.625
t0.025; df = 24 = 2.064

|t| > 2.064 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: L = 194.3

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。

誤差の幅

E = 1.96·8/√16 = 3.92

区間の端

L = 198.2 − 3.92 = 194.3

答え

L = 194.3
13.線形回帰と相関

答え: r = −0.9733

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 = 323 − 21·103/6 = −37.5
Sxx = 91 − 21²/6 = 17.5
Syy = 1853 − 103²/6 = 84.83

相関係数

r = −37.5/√(17.5·84.83) = −0.9733

答え

r = −0.9733
14.線形回帰と相関

答え: x = 1.784

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 = 21/6 = 3.5
ȳ = 117/6 = 19.5

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −25.5

回帰直線

b = −25.5/17.5 = −1.457
a = 19.5 − (−1.457)·3.5 = 24.6
ŷ = 24.6 − 1.457·x

x について解く

x = (22 − 24.6)/(−1.457) = 1.784

答え

x = 1.784
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 12.32

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

学生: 120·72/240 = 36, 120·72/240 = 36, 120·96/240 = 48
職員: 120·72/240 = 36, 120·72/240 = 36, 120·96/240 = 48

カイ二乗統計量

χ² = (47 − 36)²/36 + (26 − 36)²/36 + (47 − 48)²/48 + (25 − 36)²/36 + (46 − 36)²/36 + (49 − 48)²/48
χ² = 12.32

答え

χ² = 12.32

df = 2。α = 0.05 での臨界値は 5.991 なので、H₀(独立)は棄却される。

16.カイ二乗検定

答え: χ² = 14.17

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

18~30 歳: 60, 40
31~50 歳: 24, 16
51 歳以上: 36, 24

カイ二乗統計量

χ² = (56 − 60)²/60 + (44 − 40)²/40 + (17 − 24)²/24 + (23 − 16)²/16 + (47 − 36)²/36 + (13 − 24)²/24
χ² = 14.17

判断

df = 2, χ²crit = 9.210
14.17 > 9.210

答え

χ² = 14.17

χ² は臨界値より大きいので、H₀ は棄却されます:変数の間には関連があるようです。

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