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 50 の 95% 信頼区間が 46 から 54 です。最も正確な解釈はどれですか?

  1. A用いた手続きは、95% の割合で真の平均を含む区間を生み出す
  2. B標本の個々の参加者の 95% が、その尺度で 46 から 54 の間の得点をとった
  3. C標本平均が 50 である確率が 95% である
  4. D結果は有意ではない
2.心理学研究法むずかしい

研究者があるデータセットで 20 の分析を行い、p < 0.05 になった 1 つだけを報告します。この慣行を何と呼びますか?

  1. Aカウンターバランス
  2. Bp ハッキング
  3. C事前登録
  4. Dトライアンギュレーション
3.記述統計ふつう
15202530354045

データの標本標準偏差 s を求めなさい:16, 12, 47, 18, 42。

n = 5
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 50、標準偏差 5 の正規分布に従います。56.25 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 50σ = 5x = 56.25
P =
5.確率ふつう
xp(x)10.0520.1530.1540.3550.3μ = 3.7

示された分布について、X の分散 Var(X) を求めなさい。

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0.05, 0.15, 0.15, 0.35, 0.3
Var(X) =
6.確率むずかしい
n = 6, p = 0.5: P(X ≤ 1) = ?k0123456

部品を 6 個試験し、各部品は独立に確率 0.5 で故障します。故障が多くとも 1 個である確率 P はいくつですか?

n = 6p = 0.5
P =
7.正規分布ふつう
436548P = ?

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。436 から 548 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 = 436x2 = 548
P =
8.正規分布むずかしい
235240245250255260265g上端 40%

袋の重さ は、平均 250 g、標準偏差 5 g 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 = 250 gσ = 5 g40%
x = g
9.信頼区間ふつう
μ₁ − μ₂0LUx̄₁ − x̄₂E = ?95%

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 1:30 台、平均 82.5 h、既知の標準偏差 6 h。機種 2:80 台、平均 84 h、既知の標準偏差 11 h。 μ₁ − μ₂ の 95% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n₁ = 30x̄₁ = 82.5 hσ₁ = 6 hn₂ = 80x̄₂ = 84 hσ₂ = 11 h95%
E = h
10.信頼区間むずかしい
σ = 15, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 0.595%

母標準偏差は 15 です。平均の 95% 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 = 15E = 0.595%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.2282.228t = ?df = 10

2 つの指導法を比べます。グループ 1:6 人の学生、平均点 55、標準偏差 11.5。グループ 2:6 人の学生、平均点 69.4、標準偏差 4。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 = 55s₁ = 11.5n₂ = 6x̄₂ = 69.4s₂ = 4
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.9601.96

81 回の測定の標本平均は 120.7 です。母標準偏差は 5 です。平均の 95% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 120.7σ = 5n = 8195%
L =
13.線形回帰と相関ふつう
xy15611773199221962310525119xy1520256080100120

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。 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 = 120Σy = 546Σx² = 2470Σy² = 51916Σxy = 11310
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy184720472259245826662874xy2025506070ŷ = 48

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 = 48 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 48
x =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤233443100夜勤216534120合計449977220

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 = 2202 × 3
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
合格不合格合計18~30 歳49318031~50 歳51298051 歳以上202040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: A · 用いた手続きは、95% の割合で真の平均を含む区間を生み出す

これが答えになる理由

95% 信頼区間は母数のもっともらしい値の範囲を示します。標本が大きいほど区間が狭くなり、推定はより精密になります。

答え

A · 用いた手続きは、95% の割合で真の平均を含む区間を生み出す
2.心理学研究法

答え: B · p ハッキング

これが答えになる理由

p ハッキングは分析の柔軟性を利用して有意性を得るもので、偽陽性率を 5% よりはるかに高くします。事前登録と透明な報告がそれを減らします。

答え

B · p ハッキング
3.記述統計

答え: s = 16.22

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 = 135/5 = 27

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−11)² + (−15)² + 20² + (−9)² + 15² = 1052

標準偏差

s = √(1052/4) = 16.22

答え

s = 16.22
4.記述統計

答え: P = 0.1056

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 = 1.25

標準正規分布表

Φ(1.25) = 0.8944
P = 1 − 0.8944 = 0.1056

答え

P = 0.1056
5.確率

答え: Var(X) = 1.41

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 = 1·0.05 + 2·0.15 + 3·0.15 + 4·0.35 + 5·0.3 = 3.7

2 乗の平均

E(X²) = 1·0.05 + 4·0.15 + 9·0.15 + 16·0.35 + 25·0.3 = 15.1

分散

Var(X) = 15.1 − 3.7² = 1.41

答え

Var(X) = 1.41
6.確率

答え: P = 0.1094

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。

故障 0 個と 1 個

P(X = 0) = 0.56 = 0.01563
P(X = 1) = 6·0.5·0.55 = 0.09375

足し合わせる

P = 0.01563 + 0.09375 = 0.1094

答え

P = 0.1094
7.正規分布

答え: P = 0.8301

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 = (436 − 500)/40 = −1.6
z₂ = (548 − 500)/40 = 1.2

間の面積

P = Φ(1.2) − Φ(−1.6) = 0.8849 − 0.0548 = 0.8301

答え

P = 0.8301
8.正規分布

答え: x = 251.3 g

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 = 250 + 0.25·5 = 251.3 g

答え

x = 251.3 g
9.信頼区間

答え: E = 3.228 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 = 82.5 − 84 = −1.5

標準誤差

SE = √(6²/30 + 11²/80) = 1.647

誤差の幅

E = 1.96·1.647 = 3.228

答え

E = 3.228 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 = 3458

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 = (1.96·15/0.5)² = 3457

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 = 3458

答え

n = 3458
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −2.897

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 = (5·11.5² + 5·4²)/10 = 74.13
sp = 8.61

標準誤差

SE = 8.61·√(1/6 + 1/6) = 4.971

検定統計量

t = (55 − 69.4)/4.971 = −2.897

答え

t = −2.897

df = 10 のとき、両側 5% の臨界値は 2.228 です。|t| の方が大きいので、H₀ は棄却されます。

12.仮説検定と信頼区間

答え: L = 119.6

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 = 1.96·5/√81 = 1.089

区間の端

L = 120.7 − 1.089 = 119.6

答え

L = 119.6
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9871

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 = 11310 − 120·546/6 = 390
Sxx = 2470 − 120²/6 = 70
Syy = 51916 − 546²/6 = 2230

相関係数

r = 390/√(70·2230) = 0.9871

答え

r = 0.9871
14.線形回帰と相関

答え: x = 19.15

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 = 138/6 = 23
ȳ = 351/6 = 58.5

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 191

回帰直線

b = 191/70 = 2.729
a = 58.5 − 2.729·23 = −4.257
ŷ = −4.257 + 2.729·x

x について解く

x = (48 − (−4.257))/2.729 = 19.15

答え

x = 19.15
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 9.107

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

日勤: 100·44/220 = 20, 100·99/220 = 45, 100·77/220 = 35
夜勤: 120·44/220 = 24, 120·99/220 = 54, 120·77/220 = 42

カイ二乗統計量

χ² = (23 − 20)²/20 + (34 − 45)²/45 + (43 − 35)²/35 + (21 − 24)²/24 + (65 − 54)²/54 + (34 − 42)²/42
χ² = 9.107

答え

χ² = 9.107

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 = 2.188

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: 48, 32
31~50 歳: 48, 32
51 歳以上: 24, 16

カイ二乗統計量

χ² = (49 − 48)²/48 + (31 − 32)²/32 + (51 − 48)²/48 + (29 − 32)²/32 + (20 − 24)²/24 + (20 − 16)²/16
χ² = 2.188

判断

df = 2, χ²crit = 9.210
2.188 < 9.210

答え

χ² = 2.188

χ² は臨界値より小さいので、H₀ は棄却されません:関連を示す有意な証拠はありません。

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