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

平均の標準誤差が小さくなるのはどのような場合ですか?

  1. A標本サイズが小さくなったとき
  2. B変数が順序尺度で測定されたとき
  3. C標本サイズが大きくなったとき
  4. D平均が大きくなったとき
2.心理学研究法むずかしい

大きさの等しい 2 つの独立した群について、ある研究が t(28) = 2.50, p = .018 と報告しています。参加者は何人でしたか?

  1. A28
  2. B56
  3. C29
  4. D30
3.記述統計ふつう
2025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:56, 35, 19, 25, 27。

n = 5
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 100、標準偏差 12 の正規分布に従います。85.6 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 100σ = 12x = 85.6
P =
5.確率ふつう
xp(x)10.320.330.3540.05μ = 2.15

示された分布について、X の標準偏差 σ を求めなさい。

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0.3, 0.3, 0.35, 0.05
σ =
6.確率むずかしい
n = 6, p = 0.2: P(X = 3) = ?k0123456

あるテストには選択問題が 6 問あります。当てずっぽうで答える学生は、各問を独立に確率 0.2 で正解します。ちょうど 3 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 6p = 0.2k = 3
P =
7.正規分布ふつう
442508P = ?

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。442 から 508 h 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 = 500σ = 40x1 = 442x2 = 508
P =
8.正規分布むずかしい
157164171178185192199cm下端 90%

成人男性の身長 は、平均 178 cm、標準偏差 7 cm の正規分布に従います。色つきの下位 90% が左側になるように、しきい値をドラッグします。しきい値 x を求めなさい。

μ = 178 cmσ = 7 cm90%
x = cm
9.信頼区間ふつう
n = 20, s = 10.5LUx̄ = 45E = ?90%

20 個からなる標本の平均は 45、標準偏差は s = 10.5 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 90% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 20x̄ = 45s = 10.590%t(19) = 1.729
E =
10.信頼区間むずかしい
σ = 39, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 490%

母標準偏差は 39 です。平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 4 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 = 39E = 490%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −1.99801.998

学生 64 人の標本の平均点は 72.75、標本標準偏差は 20 です。H₀: μ = 75 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 75x̄ = 72.75s = 20n = 64
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 250 人中 88 人、治療 B の患者 300 人中 141 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 = 88n₁ = 250x₂ = 141n₂ = 300
z =
13.線形回帰と相関ふつう
xy132344558762976xy5406080

表は x = 広告費(k€) と y = 売上高(k€) の 5 組の対になった観測値を示しています。 最小二乗直線の決定係数 r² を求めなさい。

n = 5
r² =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy369471578680787888xy468708090x = 5.5

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。 最小二乗直線 ŷ = a + b·x を用います。 x = 5.5 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 6x = 5.5
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
低中高合計都市部692724120農村部21182160合計904545180

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 = 1802 × 3
χ² =
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、3 個のカテゴリーの観測度数を、完全に指定された期待割合と比べます(データから推定するパラメータはありません)。 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 · 標本サイズが大きくなったとき

これが答えになる理由

標準誤差は、標本平均が母平均の周りでどれだけばらつくかを推定します。標本が大きいほど推定は精密になります。

答え

C · 標本サイズが大きくなったとき
2.心理学研究法

答え: D · 30

これが答えになる理由

自由度 28 は 28 + 2 = 30 人の参加者を意味し、各群は 15 人です。

答え

D · 30
3.記述統計

答え: s = 14.38

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 = 162/5 = 32.4

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 23.6² + 2.6² + (−13.4)² + (−7.4)² + (−5.4)² = 827.2

標準偏差

s = √(827.2/4) = 14.38

答え

s = 14.38
4.記述統計

答え: P = 0.8849

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 = −1.2

標準正規分布表

Φ(−1.2) = 0.1151
P = 1 − 0.1151 = 0.8849

答え

P = 0.8849
5.確率

答え: σ = 0.9097

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 = 1·0.3 + 2·0.3 + 3·0.35 + 4·0.05 = 2.15

2 乗の平均

E(X²) = 1·0.3 + 4·0.3 + 9·0.35 + 16·0.05 = 5.45

分散

Var(X) = 5.45 − 2.15² = 0.8275
σ = √0.8275 = 0.9097

答え

σ = 0.9097
6.確率

答え: P = 0.08192

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。

二項分布の公式

P(X = 3) = 20·0.23·0.83 = 20·0.008·0.512 = 0.08192

答え

P = 0.08192
7.正規分布

答え: P = 0.5057

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 = (442 − 500)/40 = −1.45
z₂ = (508 − 500)/40 = 0.2

間の面積

P = Φ(0.2) − Φ(−1.45) = 0.5793 − 0.07353 = 0.5057

答え

P = 0.5057
8.正規分布

答え: x = 187 cm

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) = 0.9

表からの z

z ≈ 1.28

元の単位に戻す

x = 178 + 1.28·7 = 187 cm

答え

x = 187 cm
9.信頼区間

答え: E = 4.059

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 = 19, t = 1.729

誤差の幅

E = 1.729·10.5/√20 = 4.059

答え

E = 4.059
10.信頼区間

答え: n = 258

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 = (1.645·39/4)² = 257.2

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 = 258

答え

n = 258
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −0.9

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 = 20/√64 = 20/8 = 2.5

検定統計量

t = (72.75 − 75)/2.5 = −0.9

答え

t = −0.9
t0.025; df = 63 = 1.998

|t| < 1.998 なので、有意水準 5%(両側)で H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: z = −2.795

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 = 88/250 = 0.352
p̂₂ = 141/300 = 0.47
p̂ = 229/550 = 0.4164

H₀ のもとでの標準誤差

SE = √(0.4164·0.5836·(1/250 + 1/300)) = 0.04221

検定統計量

z = (0.352 − 0.47)/0.04221 = −2.795

答え

z = −2.795

|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 = 0.9794

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 = 25/5 = 5
ȳ = 272/5 = 54.4

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 212
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1147

決定係数

r² = 212²/(40·1147) = 0.9794

答え

r² = 0.9794

y の変動の約 97.94% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 78.83

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 = 33/6 = 5.5
ȳ = 473/6 = 78.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 72.5

回帰直線

b = 72.5/17.5 = 4.143
a = 78.83 − 4.143·5.5 = 56.05
ŷ = 56.05 + 4.143·x

予測

ŷ = 56.05 + 4.143·5.5 = 78.83

答え

ŷ = 78.83
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 8.55

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

都市部: 120·90/180 = 60, 120·45/180 = 30, 120·45/180 = 30
農村部: 60·90/180 = 30, 60·45/180 = 15, 60·45/180 = 15

カイ二乗統計量

χ² = (69 − 60)²/60 + (27 − 30)²/30 + (24 − 30)²/30 + (21 − 30)²/30 + (18 − 15)²/15 + (21 − 15)²/15
χ² = 8.55

答え

χ² = 8.55

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: χ²crit = 9.21

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 = 3 − 1 = 2

表

χ²crit(df = 2, α = 0.01) = 9.210

答え

χ²crit = 9.210

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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