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

研究者が 5 つの t 検定を行い、ボンフェローニ補正で全体の第 1 種の過誤率を 0.05 に保ちたいと考えています。各検定ではどの有意水準を使うべきですか?

  1. A0.05
  2. B0.25
  3. C0.025
  4. D0.01
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:58, 17, 29, 31, 59, 59。

n = 6
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 10 の正規分布に従います。38 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 50σ = 10x = 38
P =
5.確率ふつう
P(少なくとも 1 回 6 が出る) = ??1?2?3?4?5?6?7?8P(6) = 各回 1/6

公正なさいころを 8 回振ります。少なくとも 1 回 6 が出る確率 P はいくつですか?

n = 8
P =
6.確率むずかしい
n = 12, p = 0.6: P(X ≤ 1) = ?k0123456789101112

部品を 12 個試験し、各部品は独立に確率 0.6 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 = 12p = 0.6
P =
7.正規分布ふつう
750 g762.3 gX + Y?

X は平均 250 g、標準偏差 4 g の正規分布に従い、Y は X と独立で、平均 500 g、標準偏差 9 g の正規分布に従います。X + Y が 762.3 g を超える確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

μX = 250, σX = 4μY = 500, σY = 9X + Y > 762.3 g
P =
8.正規分布むずかしい
10 g0X − Y?

ライン 1 の製品の質量 X とライン 2 の製品の質量 Y は独立な正規変数です:X は平均 500 g、標準偏差 8 g、Y は平均 490 g、標準偏差 6 g です。X が Y より大きい確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

μX = 500 g, σX = 8 gμY = 490 g, σY = 6 g
P =
9.信頼区間ふつう
x̄E₁ = 10.390%, n = 100x̄E₂ = ?95%, n = 100

σ が既知のもとで 100 個の観測値に基づく平均の 90% 信頼区間の誤差の幅は 10.3 です。 同じデータから求めた 95% 区間の誤差の幅 E₂ はいくらですか?

90%n₁ = 100E₁ = 10.395%
E₂ =
10.信頼区間むずかしい
σ = 36, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 595%

母標準偏差は 36 です。平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 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 = 36E = 595%
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 97.9、標本標準偏差は 12 です。H₀: μ = 100 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 100x̄ = 97.9s = 12n = 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 120 人中 24 人、治療 B の患者 120 人中 34 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 = 24n₁ = 120x₂ = 34n₂ = 120
z =
13.線形回帰と相関ふつう
xy143244347458556xy24455055

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。 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 = 15Σy = 248Σx² = 55Σy² = 12494Σxy = 784
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy21342162583510441252xy5102040x = 7

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 (7, 34) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 6(7, 34)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
低中高合計都市部235740120農村部133968120合計3696108240

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 = 2402 × 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、8 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: A · 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

A · マン・ホイットニーの U 検定
2.心理学研究法

答え: D · 0.01

これが答えになる理由

ボンフェローニ補正は α を比較の数で割ります:0.05 / 5 = 0.01。単純ですが保守的で、第 2 種の過誤のリスクを高めます。

答え

D · 0.01
3.記述統計

答え: s = 18.7

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 = 253/6 = 42.17

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 15.83² + (−25.17)² + (−13.17)² + (−11.17)² + 16.83² + 16.83² = 1749

標準偏差

s = √(1749/5) = 18.7

答え

s = 18.7
4.記述統計

答え: P = 0.1151

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 = 0.1151

答え

P = 0.1151
5.確率

答え: P = 0.7674

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。

余事象

P(6 が出ない) = (5/6)8 = 0.2326
P = 1 − 0.2326 = 0.7674

答え

P = 0.7674
6.確率

答え: P = 0.0003188

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) = 0.412 = 1.678 × 10⁻⁵
P(X = 1) = 12·0.6·0.411 = 0.000302

足し合わせる

P = 1.678 × 10⁻⁵ + 0.000302 = 0.0003188

答え

P = 0.0003188
7.正規分布

答え: P = 0.1056

正規変数の和と差:X と Y が独立で正規分布に従うなら、X + Y と X − Y も正規分布に従います。平均は足したり引いたりします:E(X ± Y) = μX ± μY。分散は差の場合でも常に足します:Var(X ± Y) = σX² + σY²、したがって σ = √(σX² + σY²) です。標準偏差を直接足すことはありません。同じ分布に従う独立な n 個の合計は、平均 n·μ、標準偏差 σ·√n です。そのあとはいつもどおり標準化します:z = (x − 平均)/σ とし、Φ(z) を読み取ります。

和の分布

μ = 750 g, σ = √(4² + 9²) = 9.849 g

標準化する

z = (762.3 − 750)/9.849 = 1.25

上側確率

P = 1 − Φ(1.25) = 1 − 0.8944 = 0.1056

答え

P = 0.1056
8.正規分布

答え: P = 0.8413

正規変数の和と差:X と Y が独立で正規分布に従うなら、X + Y と X − Y も正規分布に従います。平均は足したり引いたりします:E(X ± Y) = μX ± μY。分散は差の場合でも常に足します:Var(X ± Y) = σX² + σY²、したがって σ = √(σX² + σY²) です。標準偏差を直接足すことはありません。同じ分布に従う独立な n 個の合計は、平均 n·μ、標準偏差 σ·√n です。そのあとはいつもどおり標準化します:z = (x − 平均)/σ とし、Φ(z) を読み取ります。

差の分布

μ = 500 − 490 = 10 g, σ = 10 g

標準化する

z = (0 − 10)/10 = −1

確率

P = 1 − Φ(−1) = 0.8413

答え

P = 0.8413
9.信頼区間

答え: E₂ = 12.27

Confidence interval for a mean: x̄ ± margin of error. With a known population σ the margin is z·σ/√n; with only the sample standard deviation s, use t with n − 1 degrees of freedom: t·s/√n. Critical values: z = 1.645 (90%), 1.96 (95%), 2.576 (99%). To get a margin E or smaller, you need n ≥ (z·σ/E)², rounded up.

誤差の幅の比

E₂/E₁ = (1.96/1.645)·√(100/100) = 1.191

新しい誤差の幅

E₂ = 10.3·1.191 = 12.27

答え

E₂ = 12.27
10.信頼区間

答え: n = 200

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 = (1.96·36/5)² = 199.1

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 = 200

答え

n = 200
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −1.4

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 = 12/√64 = 12/8 = 1.5

検定統計量

t = (97.9 − 100)/1.5 = −1.4

答え

t = −1.4
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 = −1.508

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 = 24/120 = 0.2
p̂₂ = 34/120 = 0.2833
p̂ = 58/240 = 0.2417

H₀ のもとでの標準誤差

SE = √(0.2417·0.7583·(1/120 + 1/120)) = 0.05527

検定統計量

z = (0.2 − 0.2833)/0.05527 = −1.508

答え

z = −1.508

|z| < 1.96 なので、有意水準 5%(両側)で H₀ は棄却されません。

13.線形回帰と相関

答え: r = 0.91

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 = 784 − 15·248/5 = 40
Sxx = 55 − 15²/5 = 10
Syy = 12494 − 248²/5 = 193.2

相関係数

r = 40/√(10·193.2) = 0.91

答え

r = 0.91
14.線形回帰と相関

答え: e = 2.333

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 = 190/6 = 31.67

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 274

回帰直線

b = 274/70 = 3.914
a = 31.67 − 3.914·7 = 4.267
ŷ = 4.267 + 3.914·x

予測値

ŷ = 4.267 + 3.914·7 = 31.67

残差

e = 34 − 31.67 = 2.333

答え

e = 2.333

点は直線より上にあります。

15.カイ二乗検定

答え: χ² = 13.41

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: 120·36/240 = 18, 120·96/240 = 48, 120·108/240 = 54
農村部: 120·36/240 = 18, 120·96/240 = 48, 120·108/240 = 54

カイ二乗統計量

χ² = (23 − 18)²/18 + (57 − 48)²/48 + (40 − 54)²/54 + (13 − 18)²/18 + (39 − 48)²/48 + (68 − 54)²/54
χ² = 13.41

答え

χ² = 13.41

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 = 18.48

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 = 8 − 1 = 7

表

χ²crit(df = 7, α = 0.01) = 18.475

答え

χ²crit = 18.475

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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