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

反復測定デザインで順序効果を統制するには何を用いますか?

  1. A標本を大きくするだけ
  2. Bカウンターバランス
  3. C無作為抽出
  4. D単盲検法
2.心理学研究法むずかしい

睡眠時間が長い学生ほど成績が高いという研究結果があります。因果的な結論を最もよく可能にするデザインの変更はどれですか?

  1. A学生を異なる睡眠スケジュールに無作為に割り当てる
  2. B学生に睡眠を 2 回報告してもらい、2 つの報告を平均する
  3. Cより多くの学生に調査する
  4. D成績をより正確に測る
3.記述統計ふつう
303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:30, 57, 55, 54, 45, 59。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 170、標準偏差 10 の正規分布に従います。165 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 170σ = 10x = 165
z =
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
€p(x)−20.7340.25180.02

ゲームの参加費は €2 です。確率 0.25 で €6、確率 0.02 で €20 を獲得し、それ以外では何も獲得しません。賭け金は戻りません。1 ゲームあたりの純利得の期待値 E(G) を求めなさい。

賭け金 = €2€6: p = 0.25€20: p = 0.02
E(G) = €
7.正規分布ふつう
95.5123.25P = ?

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。95.5 から 123.25 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 = 95.5x2 = 123.25
P =
8.正規分布むずかしい
557085100115130145点上端 40%

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。色つきの上位 40% が右側になるように、しきい値をドラッグします。しきい値 x を求めなさい。

μ = 100 点σ = 15 点40%
x = 点
9.信頼区間ふつう
x̄E₁ = 10.399%, n = 50x̄E₂ = ?95%, n = 450

σ が既知のもとで 50 個の観測値に基づく平均の 99% 信頼区間の誤差の幅は 10.3 です。 450 個の観測値に基づく 95% 区間の誤差の幅 E₂ はいくらですか?

99%n₁ = 50E₁ = 10.395%n₂ = 450
E₂ =
10.信頼区間むずかしい
n = 16Lσ = ?s = 6.595%

機械加工した 16 本の軸の直径の標本標準偏差は 6.5 µm です。直径が正規分布に従うと仮定して、母標準偏差の 95% 信頼区間の上限 σ を求めなさい。df = 15 のとき、χ² 分布の 2.5% は 6.262 より下に、2.5% は 27.488 より上にあります。

n = 16s = 6.5 µmχ² = 6.262, 27.488
σ = µm
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.0642.064t = ?df = 24

2 つの指導法を比べます。グループ 1:6 人の学生、平均点 63、標準偏差 2。グループ 2:20 人の学生、平均点 61.2、標準偏差 7。母分散が等しいと仮定し、プールした 2 標本 t 検定を使います。差を x̄₁ − x̄₂(グループ 1 − グループ 2)として、H₀: μ₁ = μ₂ の検定統計量 t を求めなさい。

n₁ = 6x̄₁ = 63s₁ = 2n₂ = 20x̄₂ = 61.2s₂ = 7
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
−1.961.96z = ?

ある臨床試験で、治療 A の患者 80 人中 56 人、治療 B の患者 250 人中 143 人が回復しました。プールした比率を使って、H₀: p₁ = p₂ の検定統計量 z を求めなさい。

x₁ = 56n₁ = 80x₂ = 143n₂ = 250
z =
13.線形回帰と相関ふつう
xy158217881998211102312225133xy15202580100120

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。 最小二乗直線の決定係数 r² を求めなさい。

n = 6
r² =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy15511752196421782378xy152050607080ŷ = 77

表は x = 気温 (°C) と y = アイスクリームの販売数 の 5 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 = 5ŷ = 77
x =
15.カイ二乗検定ふつう
低中高合計都市部13163362農村部21381473合計345447135

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、低」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 62列の合計 = 34N = 135
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

2 行 4 列(合計を除く)の分割表について、カイ二乗独立性検定を行います。 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: B · カウンターバランス

これが答えになる理由

カウンターバランスにより、練習効果や疲労効果が条件間に均等に配分されます。

答え

B · カウンターバランス
2.心理学研究法

答え: A · 学生を異なる睡眠スケジュールに無作為に割り当てる

これが答えになる理由

無作為割り当てによって睡眠を操作して初めて第三の変数が統制され、倫理的な制約の範囲内で因果推論が可能になります。

答え

A · 学生を異なる睡眠スケジュールに無作為に割り当てる
3.記述統計

答え: s = 10.92

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 = 300/6 = 50

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−20)² + 7² + 5² + 4² + (−5)² + 9² = 596

標準偏差

s = √(596/5) = 10.92

答え

s = 10.92
4.記述統計

答え: z = −0.5

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 = (165 − 170)/10 = −0.5

答え

z = −0.5
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: E(G) = −0.1 €

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。

純利得の結果

G: 4 (p = 0.25), 18 (p = 0.02), −2 (p = 0.73)

期待値

E(G) = 4·0.25 + 18·0.02 − 2·0.73 = −0.1 €

答え

E(G) = −0.1 €

負の値は、平均して損をすることを意味します。

7.正規分布

答え: P = 0.5573

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 = (95.5 − 100)/15 = −0.3
z₂ = (123.25 − 100)/15 = 1.55

間の面積

P = Φ(1.55) − Φ(−0.3) = 0.9394 − 0.3821 = 0.5573

答え

P = 0.5573
8.正規分布

答え: x = 103.8 点

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。

左側の面積

Φ(z) = 0.6

表からの z

z ≈ 0.25

元の単位に戻す

x = 100 + 0.25·15 = 103.8 点

答え

x = 103.8 点
9.信頼区間

答え: E₂ = 2.612

Confidence interval for a mean: x̄ ± margin of error. With a known population σ the margin is z·σ/√n; with only the sample standard deviation s, use t with n − 1 degrees of freedom: t·s/√n. Critical values: z = 1.645 (90%), 1.96 (95%), 2.576 (99%). To get a margin E or smaller, you need n ≥ (z·σ/E)², rounded up.

誤差の幅の比

E₂/E₁ = (1.96/2.576)·√(50/450) = 0.2536

新しい誤差の幅

E₂ = 10.3·0.2536 = 2.612

答え

E₂ = 2.612
10.信頼区間

答え: σ = 10.06 µm

分散の区間:(n − 1)s²/σ² は自由度 n − 1 の χ² 分布に従います。σ² の 95% 区間は、(n − 1)s² を上側の χ² 値(その上に 2.5%)で割った値から、下側の χ² 値(その下に 2.5%)で割った値までです。σ の区間は両方の限界の平方根です。s に関して対称ではありません。

平方和

(n − 1)s² = 15·6.5² = 633.8

σ² の限界

633.8/27.488 = 23.06
633.8/6.262 = 101.2

σ の限界

σ = √101.2 = 10.06 µm

答え

σ = 10.06 µm

σ の 95% 区間:[4.802, 10.06] µm。

11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 0.6143

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.

プールした分散

sp² = (5·2² + 19·7²)/24 = 39.63
sp = 6.295

標準誤差

SE = 6.295·√(1/6 + 1/20) = 2.93

検定統計量

t = (63 − 61.2)/2.93 = 0.6143

答え

t = 0.6143

df = 24 のとき、両側 5% の臨界値は 2.064 です。|t| の方が小さいので、H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: z = 2.037

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.

標本比率

p̂₁ = 56/80 = 0.7
p̂₂ = 143/250 = 0.572
p̂ = 199/330 = 0.603

H₀ のもとでの標準誤差

SE = √(0.603·0.397·(1/80 + 1/250)) = 0.06285

検定統計量

z = (0.7 − 0.572)/0.06285 = 2.037

答え

z = 2.037

|z| > 1.96 なので、有意水準 5%(両側)で H₀ は棄却されます。

13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9907

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 = 120/6 = 20
ȳ = 633/6 = 105.5

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 369
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1964

決定係数

r² = 369²/(70·1964) = 0.9907

答え

r² = 0.9907

y の変動の約 99.07% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: x = 22.1

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 = 95/5 = 19
ȳ = 323/5 = 64.6

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 160

回帰直線

b = 160/40 = 4
a = 64.6 − 4·19 = −11.4
ŷ = −11.4 + 4·x

x について解く

x = (77 − (−11.4))/4 = 22.1

答え

x = 22.1
15.カイ二乗検定

答え: E = 15.61

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 = 62·34/135 = 15.61

答え

E = 15.61
16.カイ二乗検定

答え: χ²crit = 11.35

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 = (2 − 1)·(4 − 1) = 3

表

χ²crit(df = 3, α = 0.01) = 11.345

答え

χ²crit = 11.345

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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