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結果は有意ではない
  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.心理学研究法むずかしい

4 群を比べる一元配置分散分析が有意でした。どの群が異なるかを見つけるために、研究者は次に何をすべきですか?

  1. A結果を相関として報告する
  2. B平均についてカイ二乗検定を行う
  3. Cテューキーの HSD などの事後検定を行う
  4. D4 群すべてが互いに異なると結論する
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:58, 44, 39, 32, 28, 26。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 60、標準偏差 10 の正規分布に従います。48 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 60σ = 10x = 48
z =
5.確率ふつう
赤: 8青: 5

袋に赤玉 8 個と青玉 5 個が入っています。1 個目を戻さずに 2 個取り出します。2 個とも赤である確率 P はいくつですか?

8 / 5
P =
6.確率むずかしい
xp(x)00.310.120.330.3μ

X は示された分布をもち、Y = 10X + 4 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0.3, 0.1, 0.3, 0.3Y = 10X + 4
σY =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.1922

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.1922 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 = 0.1922
z =
8.正規分布むずかしい
35455565758595点下端 75%

試験の得点 は、平均 65 点、標準偏差 10 点 の正規分布に従います。色つきの下位 75% 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 = 65 点σ = 10 点75%
x = 点
9.信頼区間ふつう
μ₁ − μ₂0LU = ?x̄₁ − x̄₂E99%

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 1:50 台、平均 130 h、既知の標準偏差 20 h。機種 2:100 台、平均 139 h、既知の標準偏差 17 h。 μ₁ − μ₂ の 99% 信頼区間の上限を求めなさい。

n₁ = 50x̄₁ = 130 hσ₁ = 20 hn₂ = 100x̄₂ = 139 hσ₂ = 17 h99%
上限 = h
10.信頼区間むずかしい
σ = 18, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 0.595%

母標準偏差は 18 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 = 18E = 0.595%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−1.961.96z = ?

2 つの生産ラインで同じ部品をつくっています。ライン 1:30 個の部品の標本の平均長さは 67.5 mm で、ラインの既知の標準偏差は 3 mm です。ライン 2:30 個の部品の標本の平均は 65 mm、既知の標準偏差は 10 mm です。差を x̄₁ − x̄₂(ライン 1 − ライン 2)として、H₀: μ₁ = μ₂ の検定統計量 z を求めなさい。

n₁ = 30x̄₁ = 67.5 mmσ₁ = 3 mmn₂ = 30x̄₂ = 65 mmσ₂ = 10 mm
z =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
μ₀x̄c

H₀: μ = 100 対 H₁: μ > 100 の片側 z 検定を、α = 0.01、標本サイズ 64 で行います。標準偏差は 24 であることがわかっています。実際の平均は 111.7 です。 検定の検出力 1 − β をパーセントで求めなさい。

μ₀ = 100μ = 111.7σ = 24n = 64α = 0.01
1 − β = %
13.線形回帰と相関ふつう
xy146616781896209322113xy152080100

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。 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 = 5Σx = 90Σy = 446Σx² = 1660Σy² = 41074Σxy = 8246
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy15336257278899211111xy5106080100x = 2

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 = 2 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 6x = 2
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤293358120夜勤7213260合計365490180

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、6 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: D · 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

D · 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: C · テューキーの HSD などの事後検定を行う

これが答えになる理由

有意な F は、すべての平均が等しいわけではないことを示します。事後検定や計画的対比は、誤り率を統制しながら、どの組が異なるかを特定します。

答え

C · テューキーの HSD などの事後検定を行う
3.記述統計

答え: s = 11.97

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 = 227/6 = 37.83

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 20.17² + 6.167² + 1.167² + (−5.833)² + (−9.833)² + (−11.83)² = 716.8

標準偏差

s = √(716.8/5) = 11.97

答え

s = 11.97
4.記述統計

答え: z = −1.2

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 = (48 − 60)/10 = −1.2

答え

z = −1.2
5.確率

答え: P = 0.359

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。

1 回目と 2 回目

P = 8/13 · 7/12 = 56/156 = 0.359

答え

P = 0.359
6.確率

答え: σY = 12

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 = 1.6, Var(X) = 1.44, σX = 1.2

一次変換

σY = |10|·1.2 = 12

答え

σY = 12

平均は変化します:E(Y) = 10·1.6 + 4 = 20。

7.正規分布

答え: z = 0.87

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 − 0.1922 = 0.8078

z 表を逆に読む

表の中で 0.8078 を見つけ、z を読み取ります。

z = 0.87

答え

z = 0.87
8.正規分布

答え: x = 71.7 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) = 0.75

表からの z

z ≈ 0.67

元の単位に戻す

x = 65 + 0.67·10 = 71.7 点

答え

x = 71.7 点
9.信頼区間

答え: 上限 = −0.4992 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 = 130 − 139 = −9

標準誤差

SE = √(20²/50 + 17²/100) = 3.3

誤差の幅

E = 2.576·3.3 = 8.501

区間

−9 ± 8.501 → [−17.5, −0.4992]

答え

上限 = −0.4992 h

区間は 0 を含まないので、平均には有意な差があります。

10.信頼区間

答え: n = 4979

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 = (1.96·18/0.5)² = 4979

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 = 4979

答え

n = 4979
11.仮説検定と信頼区間

答え: z = 1.312

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.

差の標準誤差

SE = √(3²/30 + 10²/30) = √3.633 = 1.906

検定統計量

z = (67.5 − 65)/1.906 = 1.312

答え

z = 1.312

|z| < 1.96 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: 1 − β = 94.23 %

検定の検出力:検出力 = 1 − β は、H₀ が誤っているときに H₀ を棄却する確率です。μ₀ と z_α から境界値 x̄c を求め、真の平均を使って x̄c を超える確率を計算します:z = (x̄c − μ)/(σ/√n)。

臨界標本平均

SE = 24/√64 = 3
x̄c = 100 + 2.326·3 = 107

真の平均のもとでの z

z = (107 − 111.7)/3 = −1.574

電力

検出力 = P(Z > −1.574) = 94.23%
1 − β = 94.23%

答え

1 − β = 94.23%
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9594

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 = 8246 − 90·446/5 = 218
Sxx = 1660 − 90²/5 = 40
Syy = 41074 − 446²/5 = 1291

相関係数

r = 218/√(40·1291) = 0.9594

答え

r = 0.9594
14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 57.04

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 = 36/6 = 6
ȳ = 478/6 = 79.67

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 396

回帰直線

b = 396/70 = 5.657
a = 79.67 − 5.657·6 = 45.72
ŷ = 45.72 + 5.657·x

予測

ŷ = 45.72 + 5.657·2 = 57.04

答え

ŷ = 57.04
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 4.075

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: 120·36/180 = 24, 120·54/180 = 36, 120·90/180 = 60
夜勤: 60·36/180 = 12, 60·54/180 = 18, 60·90/180 = 30

カイ二乗統計量

χ² = (29 − 24)²/24 + (33 − 36)²/36 + (58 − 60)²/60 + (7 − 12)²/12 + (21 − 18)²/18 + (32 − 30)²/30
χ² = 4.075

答え

χ² = 4.075

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

16.カイ二乗検定

答え: χ²crit = 13.28

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 = 6 − 1 − 1 = 4

表

χ²crit(df = 4, α = 0.01) = 13.277

答え

χ²crit = 13.277

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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