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

大学の母集団と同じ割合で 1 年生、2 年生、3 年生を含む標本を得るには、研究者はどの方法を使うべきですか?

  1. A層化抽出
  2. B志願者標本抽出
  3. C機会標本抽出
  4. Dスノーボール抽出
2.心理学研究法むずかしい

研究者は、アイスクリームの売上と水難事故による死亡が正の相関を示すことを見つけました。最ももっともらしい説明はどれですか?

  1. A暑い天候がアイスクリームの売上と水泳の両方を増やす
  2. Bその相関は計算の誤りに違いない
  3. Cアイスクリームが水難事故を引き起こす
  4. D水難事故がアイスクリームの売上を増やす
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:55, 35, 43, 19, 41, 24。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 500、標準偏差 75 の正規分布に従います。462.5 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 500σ = 75x = 462.5
P =
5.確率ふつう
赤: 4青: 3

袋に赤玉 4 個と青玉 3 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?

4 / 3
P =
6.確率むずかしい
xp(x)100.3200.25300.15400.3μ

X は示された分布をもち、Y = 2X + 10 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.3, 0.25, 0.15, 0.3Y = 2X + 10
σY =
7.正規分布ふつう
246.25254.25P = ?

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。246.25 から 254.25 g 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 = 250σ = 5x1 = 246.25x2 = 254.25
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 250x = ?10%

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。全体の 10% がそれより下にある値 x(第 10 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 250σ = 5P = 10%
x = g
9.信頼区間ふつう
n = 7, s = 3L = ?Ux̄ = 103E90%

7 個からなる標本の平均は 103、標準偏差は s = 3 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 90% 信頼区間の下限を求めなさい。

n = 7x̄ = 103s = 390%t(6) = 1.943
下限 =
10.信頼区間むずかしい
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0499%

不良品の割合について事前には何もわかっていません。 割合の 99% 信頼区間の誤差の幅を 0.04 以下にするには、製品をいくつ n 検査する必要がありますか?

p = 0.5E = 0.0499%
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 40.5、標準偏差 9。グループ 2:6 人の学生、平均点 48.9、標準偏差 5。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 = 40.5s₁ = 9n₂ = 6x̄₂ = 48.9s₂ = 5
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
μ₀x̄c

H₀: μ = 500 対 H₁: μ > 500 の片側 z 検定を、α = 0.01、標本サイズ 25 で行います。標準偏差は 15 であることがわかっています。実際の平均は 510.8 です。 検定の検出力 1 − β をパーセントで求めなさい。

μ₀ = 500μ = 510.8σ = 15n = 25α = 0.01
1 − β = %
13.線形回帰と相関ふつう
xy131229328423524621xy2462530

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。 ピアソンの相関係数 r を求めなさい。

n = 6
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy1894209622116241252613428149xy2025100120140x = 25

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。 新しい観測値 (25, 132) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 6(25, 132)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤244353120夜勤313435100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
合格不合格合計18~30 歳24568031~50 歳8324051 歳以上3466100合計66154220dfα = 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 = 0.05 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 = 2203 × 2α = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: A · 層化抽出

これが答えになる理由

層化抽出は下位集団(層)を特定し、母集団での大きさに比例して各層から無作為に抽出するため、標本の代表性が高まります。

答え

A · 層化抽出
2.心理学研究法

答え: A · 暑い天候がアイスクリームの売上と水泳の両方を増やす

これが答えになる理由

第三の変数である気温が両方を引き起こしています。これは、相関だけでは因果関係を示せない理由を示しています。

答え

A · 暑い天候がアイスクリームの売上と水泳の両方を増やす
3.記述統計

答え: s = 13.18

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 = 217/6 = 36.17

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 18.83² + (−1.167)² + 6.833² + (−17.17)² + 4.833² + (−12.17)² = 868.8

標準偏差

s = √(868.8/5) = 13.18

答え

s = 13.18
4.記述統計

答え: P = 0.3085

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 = −0.5

標準正規分布表

Φ(−0.5) = 0.3085
P = 0.3085

答え

P = 0.3085
5.確率

答え: P = 0.2857

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 = 4/7 · 3/6 = 12/42 = 0.2857

答え

P = 0.2857
6.確率

答え: σY = 24.06

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 = 24.5, Var(X) = 144.8, σX = 12.03

一次変換

σY = |2|·12.03 = 24.06

答え

σY = 24.06

平均は変化します:E(Y) = 2·24.5 + 10 = 59。

7.正規分布

答え: P = 0.5757

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 = (246.25 − 250)/5 = −0.75
z₂ = (254.25 − 250)/5 = 0.85

間の面積

P = Φ(0.85) − Φ(−0.75) = 0.8023 − 0.2266 = 0.5757

答え

P = 0.5757
8.正規分布

答え: x = 243.6 g

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) = 0.1 → z = −1.282

x に戻す

x = 250 + −1.282·5 = 243.59 g

答え

x = 243.59 g
9.信頼区間

答え: 下限 = 100.8

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 = 6, t = 1.943

誤差の幅

E = 1.943·3/√7 = 2.203

区間

103 ± 2.203 → [100.8, 105.2]

答え

下限 = 100.8
10.信頼区間

答え: n = 1037

Confidence interval for a proportion: p̂ ± z·√(p̂(1 − p̂)/n), where p̂ = x/n. To reach a margin E you need n ≥ z²·p(1 − p)/E², rounded up; without a prior estimate use p = 0.5, which gives the largest n.

n について解く

n = 2.576²·0.5·0.5/0.04² = 1037

切り上げる

n = 1037

答え

n = 1037
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −1.998

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 = (5·9² + 5·5²)/10 = 53
sp = 7.28

標準誤差

SE = 7.28·√(1/6 + 1/6) = 4.203

検定統計量

t = (40.5 − 48.9)/4.203 = −1.998

答え

t = −1.998

df = 10 のとき、両側 5% の臨界値は 2.228 です。|t| の方が小さいので、H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: 1 − β = 89.87 %

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 = 15/√25 = 3
x̄c = 500 + 2.326·3 = 507

真の平均のもとでの z

z = (507 − 510.8)/3 = −1.274

電力

検出力 = P(Z > −1.274) = 89.87%
1 − β = 89.87%

答え

1 − β = 89.87%
13.線形回帰と相関

答え: r = −0.9597

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 = 156/6 = 26

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −35
Syy = Σ(y − ȳ)² = 76

相関係数

r = −35/√(17.5·76) = −0.9597

答え

r = −0.9597
14.線形回帰と相関

答え: e = 1.629

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 = 714/6 = 119

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 398

回帰直線

b = 398/70 = 5.686
a = 119 − 5.686·23 = −11.77
ŷ = −11.77 + 5.686·x

予測値

ŷ = −11.77 + 5.686·25 = 130.4

残差

e = 132 − 130.4 = 1.629

答え

e = 1.629

点は直線より上にあります。

15.カイ二乗検定

答え: χ² = 3.838

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 = (24 − 30)²/30 + (43 − 42)²/42 + (53 − 48)²/48 + (31 − 25)²/25 + (34 − 35)²/35 + (35 − 40)²/40
χ² = 3.838

答え

χ² = 3.838

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: χ² = 2.667

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: 24, 56
31~50 歳: 12, 28
51 歳以上: 30, 70

カイ二乗統計量

χ² = (24 − 24)²/24 + (56 − 56)²/56 + (8 − 12)²/12 + (32 − 28)²/28 + (34 − 30)²/30 + (66 − 70)²/70
χ² = 2.667

判断

df = 2, χ²crit = 5.991
2.667 < 5.991

答え

χ² = 2.667

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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