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

内容分析で評定者間信頼性を確かめるにはどうしますか?

  1. A同じ日に資料を 2 回コード化する
  2. Bより大きな資料の標本を使う
  3. C研究者による資料のコード化が正しいかを、後から参加者に尋ねる
  4. D2 人の研究者に同じ資料をコード化させ、結果を比較する
2.心理学研究法むずかしい

ある記憶研究は反復測定デザインで、全員がリスト A の後にリスト B を学習します。再生はリスト B のほうがよい結果でした。最も考えられる欠陥はどれですか?

  1. A条件がカウンターバランスされていないための、練習などの順序効果
  2. B順序尺度の使用
  3. C大きすぎる標本サイズ
  4. D群間の個人差
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:26, 41, 15, 47, 34。

n = 5
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 15 の正規分布に従います。75 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 60σ = 15x = 75
z =
5.確率ふつう
n = 12k = 2N = ?

12 人のグループから 2 人の委員会を選ぶ方法 N は何通りですか?順序は問いません。

n = 12k = 2
N =
6.確率むずかしい
xp(x)00.210.120.230.3540.15μ

X は示された分布をもち、Y = −2X + 20 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0.2, 0.1, 0.2, 0.35, 0.15Y = −2X + 20
σY =
7.正規分布ふつう
30.538P = ?

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。30.5 から 38 min 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 = 32σ = 6x1 = 30.5x2 = 38
P =
8.正規分布むずかしい
380420460500540580620h上端 90%

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。色つきの上位 90% 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 = 500 hσ = 40 h90%
x = h
9.信頼区間ふつう
n = 6, sd​ = 60LUd̄ = −3E = ?90%

6 人の患者の血圧を治療の前後に測定します。差 d = 前 − 後(mmHg)の平均は −3、標準偏差は 6 です。 差の平均の 90% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 6d̄ = −3sd = 690%t(5) = 2.015
E = mmHg
10.信頼区間むずかしい
σ = 24, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 395%

母標準偏差は 24 です。平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 3 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 = 24E = 395%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
2.32p = ?

ある母集団の平均は 500 であると主張されています。母標準偏差は 18 であることがわかっています。144 個の観測値からなる無作為標本の平均は 503.48 です。H₀: μ = 500 対 H₁: μ > 500 を検定します。p 値 p を求めなさい。

μ₀ = 500σ = 18n = 144x̄ = 503.48H₁: μ > μ₀
p =
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 150 人中 75 人、治療 B の患者 150 人中 57 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 = 75n₁ = 150x₂ = 57n₂ = 150
z =
13.線形回帰と相関ふつう
xy15581760196721822382xy1520607080

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
xy1192193154145867xy246101520ŷ = 11

表は x = 車の年数(年) と y = 価格(k€) 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 = 11 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 11
x =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤324246120夜勤233542100合計557788220

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
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、7 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: D · 2 人の研究者に同じ資料をコード化させ、結果を比較する

これが答えになる理由

独立したコーダーが同じデータに似たコードをつければ(一致率や相関が高ければ)、そのコード化の枠組みは信頼できます。

答え

D · 2 人の研究者に同じ資料をコード化させ、結果を比較する
2.心理学研究法

答え: A · 条件がカウンターバランスされていないための、練習などの順序効果

これが答えになる理由

すべての参加者が同じ順序で条件を経験すると、向上はリストではなく練習を反映しているかもしれません。カウンターバランス(ABBA、または半数が AB、半数が BA)がこれを統制します。

答え

A · 条件がカウンターバランスされていないための、練習などの順序効果
3.記述統計

答え: s = 12.58

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 = 163/5 = 32.6

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−6.6)² + 8.4² + (−17.6)² + 14.4² + 1.4² = 633.2

標準偏差

s = √(633.2/4) = 12.58

答え

s = 12.58
4.記述統計

答え: z = 1

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 = (75 − 60)/15 = 1

答え

z = 1
5.確率

答え: N = 66

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。

組合せ

C(12, 2) = (12·11)/(2·1) = 66

答え

N = 66
6.確率

答え: σY = 2.704

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 = 2.15, Var(X) = 1.827, σX = 1.352

一次変換

σY = |−2|·1.352 = 2.704

答え

σY = 2.704

平均は変化します:E(Y) = −2·2.15 + 20 = 15.7。

7.正規分布

答え: P = 0.4401

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 = (30.5 − 32)/6 = −0.25
z₂ = (38 − 32)/6 = 1

間の面積

P = Φ(1) − Φ(−0.25) = 0.8413 − 0.4013 = 0.4401

答え

P = 0.4401
8.正規分布

答え: x = 449 h

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) = 0.1

表からの z

z ≈ −1.28

元の単位に戻す

x = 500 − 1.28·40 = 449 h

答え

x = 449 h
9.信頼区間

答え: E = 4.936 mmHg

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.

臨界値

df = 5, t = 2.015

誤差の幅

E = 2.015·6/√6 = 4.936

答え

E = 4.936 mmHg
10.信頼区間

答え: n = 246

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 = (1.96·24/3)² = 245.9

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 = 246

答え

n = 246
11.仮説検定と信頼区間

答え: p = 0.01017

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.

検定統計量

SE = σ/√n = 18/√144 = 1.5
z = (503.48 − 500)/1.5 = 2.32

裾の面積

Φ(2.32) = 0.9898
1 − Φ(2.32) = 0.0102

p 値

p = 0.01017

答え

p = 0.01017

p ≤ 0.05 なので、有意水準 5% で H₀ は棄却されます。

12.仮説検定と信頼区間

答え: z = 2.094

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 = 75/150 = 0.5
p̂₂ = 57/150 = 0.38
p̂ = 132/300 = 0.44

H₀ のもとでの標準誤差

SE = √(0.44·0.56·(1/150 + 1/150)) = 0.05732

検定統計量

z = (0.5 − 0.38)/0.05732 = 2.094

答え

z = 2.094

|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 = 0.9061

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 = 349/5 = 69.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 140
Syy = Σ(y − ȳ)² = 540.8

決定係数

r² = 140²/(40·540.8) = 0.9061

答え

r² = 0.9061

y の変動の約 90.61% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: x = 4.493

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 = 21/6 = 3.5
ȳ = 82/6 = 13.67

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −47

回帰直線

b = −47/17.5 = −2.686
a = 13.67 − (−2.686)·3.5 = 23.07
ŷ = 23.07 − 2.686·x

x について解く

x = (11 − 23.07)/(−2.686) = 4.493

答え

x = 4.493
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 0.4767

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: 120·55/220 = 30, 120·77/220 = 42, 120·88/220 = 48
夜勤: 100·55/220 = 25, 100·77/220 = 35, 100·88/220 = 40

カイ二乗統計量

χ² = (32 − 30)²/30 + (42 − 42)²/42 + (46 − 48)²/48 + (23 − 25)²/25 + (35 − 35)²/35 + (42 − 40)²/40
χ² = 0.4767

答え

χ² = 0.4767

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 = 16.81

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 = 7 − 1 = 6

表

χ²crit(df = 6, α = 0.01) = 16.812

答え

χ²crit = 16.812

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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