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

データが順序尺度か明らかに正規でないとき、2 つの独立した群を比べる検定はどれですか?

  1. Aウィルコクソンの符号順位検定
  2. B対応のない t 検定
  3. Cマン・ホイットニーの U 検定
  4. Dカイ二乗検定
2.心理学研究法むずかしい

グラウンデッド・セオリーでは、データ収集はいつまで続けますか?

  1. A元の仮説が確証されるまで
  2. B理論的飽和に達し、新しいデータが新しいカテゴリーを加えなくなるまで
  3. C0.05 未満の p 値が得られるまで
  4. D少なくとも 1,000 人の参加者にインタビューするまで
3.記述統計ふつう
10152025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:20, 33, 10, 28, 59。

n = 5
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 12 の正規分布に従います。177.2 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 170σ = 12x = 177.2
z =
5.確率ふつう
赤: 3青: 6

袋に赤玉 3 個と青玉 6 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?

3 / 6
P =
6.確率むずかしい
€p(x)−10.6510.390.05

ゲームの参加費は €1 です。確率 0.3 で €2、確率 0.05 で €10 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 = €1€2: p = 0.3€10: p = 0.05
E(G) = €
7.正規分布ふつう
−3−2−10123z−z から z の間の色つき面積 = 0.2586

標準正規曲線の下で、−z から z の間の色つき面積が 0.2586 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 = 0.2586
z =
8.正規分布むずかしい
μ = 32x = ?99%

配達時間は、平均 32 min、標準偏差 6 min の正規分布に従います。全体の 99% がそれより下にある値 x(第 99 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 32σ = 6P = 99%
x = min
9.信頼区間ふつう
n = 15, s = 12.5LUx̄ = 22E = ?99%

15 個からなる標本の平均は 22、標準偏差は s = 12.5 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 99% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 15x̄ = 22s = 12.599%t(14) = 2.977
E =
10.信頼区間むずかしい
σ = 5, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 195%

母標準偏差は 5 です。平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 1 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 = 5E = 195%
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 1:40 個の部品の標本の平均長さは 118 mm で、ラインの既知の標準偏差は 12 mm です。ライン 2:50 個の部品の標本の平均は 122.5 mm、既知の標準偏差は 13 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 = 40x̄₁ = 118 mmσ₁ = 12 mmn₂ = 50x̄₂ = 122.5 mmσ₂ = 13 mm
z =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.64501.645

25 回の測定の標本平均は 76.5 です。母標準偏差は 15 です。平均の 90% 信頼区間の上限 U を求めなさい。

x̄ = 76.5σ = 15n = 2590%
U =
13.線形回帰と相関ふつう
xy127224318415514xy24152025

表は x = 車の年数(年) と y = 価格(k€) の 5 組の対になった観測値を示しています。 ピアソンの相関係数 r を求めなさい。

n = 5
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy274961581910241228xy510102030x = 11

表は x = 荷重 (kN) と y = 伸び (mm) 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。 新しい観測値 (11, 21) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 6(11, 21)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
低中高合計都市部31223588農村部9333173合計405566161

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「農村部、高」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 73列の合計 = 66N = 161
E =
16.カイ二乗検定むずかしい

2 行 3 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。 この検定の自由度 df はいくつですか?

2 × 3
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: C · マン・ホイットニーの U 検定

これが答えになる理由

マン・ホイットニーの U 検定は、関連のない 2 群の間で順位を比べます。ウィルコクソンの符号順位検定は対応のある標本に使います。

答え

C · マン・ホイットニーの U 検定
2.心理学研究法

答え: B · 理論的飽和に達し、新しいデータが新しいカテゴリーを加えなくなるまで

これが答えになる理由

グラウンデッド・セオリーは、データの収集とコード化を並行して行いながら帰納的に理論を発展させ、新しいデータがカテゴリーをもう発展させなくなったら標本抽出を止めます。

答え

B · 理論的飽和に達し、新しいデータが新しいカテゴリーを加えなくなるまで
3.記述統計

答え: s = 18.4

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 = 150/5 = 30

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−10)² + 3² + (−20)² + (−2)² + 29² = 1354

標準偏差

s = √(1354/4) = 18.4

答え

s = 18.4
4.記述統計

答え: z = 0.6

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 = (177.2 − 170)/12 = 0.6

答え

z = 0.6
5.確率

答え: P = 0.08333

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 = 3/9 · 2/8 = 6/72 = 0.08333

答え

P = 0.08333
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: 1 (p = 0.3), 9 (p = 0.05), −1 (p = 0.65)

期待値

E(G) = 1·0.3 + 9·0.05 − 1·0.65 = 0.1 €

答え

E(G) = 0.1 €

正の値は、平均して得をすることを意味します。

7.正規分布

答え: z = 0.33

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 + 0.2586)/2 = 0.6293

z 表を逆に読む

表の中で 0.6293 を見つけ、z を読み取ります。

z = 0.33

答え

z = 0.33
8.正規分布

答え: x = 45.96 min

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) = 0.99 → z = 2.326

x に戻す

x = 32 + 2.326·6 = 45.96 min

答え

x = 45.96 min
9.信頼区間

答え: E = 9.608

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 = 14, t = 2.977

誤差の幅

E = 2.977·12.5/√15 = 9.608

答え

E = 9.608
10.信頼区間

答え: n = 97

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 = (1.96·5/1)² = 96.04

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 = 97

答え

n = 97
11.仮説検定と信頼区間

答え: z = −1.703

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 = √(12²/40 + 13²/50) = √6.98 = 2.642

検定統計量

z = (118 − 122.5)/2.642 = −1.703

答え

z = −1.703

|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: U = 81.44

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 = 1.645·15/√25 = 4.935

区間の端

U = 76.5 + 4.935 = 81.44

答え

U = 81.44
13.線形回帰と相関

答え: r = −0.9737

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 = 15/5 = 3
ȳ = 98/5 = 19.6

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −35
Syy = Σ(y − ȳ)² = 129.2

相関係数

r = −35/√(10·129.2) = −0.9737

答え

r = −0.9737
14.線形回帰と相関

答え: e = −4.8

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 = 42/6 = 7
ȳ = 102/6 = 17

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 154

回帰直線

b = 154/70 = 2.2
a = 17 − 2.2·7 = 1.6
ŷ = 1.6 + 2.2·x

予測値

ŷ = 1.6 + 2.2·11 = 25.8

残差

e = 21 − 25.8 = −4.8

答え

e = −4.8

点は直線より下にあります。

15.カイ二乗検定

答え: E = 29.93

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 = 73·66/161 = 29.93

答え

E = 29.93
16.カイ二乗検定

答え: df = 2

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)·(3 − 1) = 2

答え

df = 2

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