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

p 値が 0.03 であるとは、どういう意味ですか?

  1. A結果は 97% の確率で再現される
  2. B帰無仮説が正しいとすると、これほど極端なデータが得られるのは約 3% である
  3. C観察されたデータのもとで、帰無仮説が正しい確率は 3% しかない
  4. D効果が大きい
2.心理学研究法むずかしい

睡眠時間が長い学生ほど成績が高いという研究結果があります。因果的な結論を最もよく可能にするデザインの変更はどれですか?

  1. Aより多くの学生に調査する
  2. B学生を異なる睡眠スケジュールに無作為に割り当てる
  3. C学生に睡眠を 2 回報告してもらい、2 つの報告を平均する
  4. D成績をより正確に測る
3.記述統計ふつう
152025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:35, 41, 12, 19, 57。

n = 5
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。545 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 500σ = 75x = 545
P =
5.確率ふつう
n = 13k = 4N = ?

13 人のグループから 4 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 = 13k = 4
N =
6.確率むずかしい
n = 11, p = 0.7: P(X = 4) = ?k01234567891011

あるテストには選択問題が 11 問あります。当てずっぽうで答える学生は、各問を独立に確率 0.7 で正解します。ちょうど 4 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 11p = 0.7k = 4
P =
7.正規分布ふつう
27.535.3P = ?

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。27.5 から 35.3 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 = 27.5x2 = 35.3
P =
8.正規分布むずかしい
157164171178185192199cm下端 70%

成人男性の身長 は、平均 178 cm、標準偏差 7 cm の正規分布に従います。色つきの下位 70% 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 = 178 cmσ = 7 cm70%
x = cm
9.信頼区間ふつう
n = 7, s = 9.5LUx̄ = 80E = ?99%

7 個からなる標本の平均は 80、標準偏差は s = 9.5 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 = 7x̄ = 80s = 9.599%t(6) = 3.707
E =
10.信頼区間むずかしい
n = 30Lσ = ?s = 195%

機械加工した 30 本の軸の直径の標本標準偏差は 1 µm です。直径が正規分布に従うと仮定して、母標準偏差の 95% 信頼区間の上限 σ を求めなさい。df = 29 のとき、χ² 分布の 2.5% は 16.047 より下に、2.5% は 45.722 より上にあります。

n = 30s = 1 µmχ² = 16.047, 45.722
σ = µm
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.0642.064t = ?df = 24

2 つの指導法を比べます。グループ 1:14 人の学生、平均点 111、標準偏差 5.5。グループ 2:12 人の学生、平均点 117.6、標準偏差 9。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 = 14x̄₁ = 111s₁ = 5.5n₂ = 12x̄₂ = 117.6s₂ = 9
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 4, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1.590%

平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 1.5 以下にするには、標本はどれだけ大きくなければなりませんか?標準偏差は 4 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 4E = 1.590%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy23486881110131219xy5105101520

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。 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
xy120217319412511xy241520x = 4.5

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。 最小二乗直線 ŷ = a + b·x を用います。 x = 4.5 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 5x = 4.5
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤10353580夜勤22372180合計327256160

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 = 1602 × 3
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
はいいいえ合計ライン 183240ライン 2162440ライン 3122840合計3684120dfα = 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 = 0.01 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 = 1203 × 2α = 0.01
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: B · 帰無仮説が正しいとすると、これほど極端なデータが得られるのは約 3% である

これが答えになる理由

p 値は、帰無仮説が正しい場合に、観測された結果と同じかそれ以上に極端な結果が得られる確率です。仮説が正しい確率や効果の大きさを示すものではありません。

答え

B · 帰無仮説が正しいとすると、これほど極端なデータが得られるのは約 3% である
2.心理学研究法

答え: B · 学生を異なる睡眠スケジュールに無作為に割り当てる

これが答えになる理由

無作為割り当てによって睡眠を操作して初めて第三の変数が統制され、倫理的な制約の範囲内で因果推論が可能になります。

答え

B · 学生を異なる睡眠スケジュールに無作為に割り当てる
3.記述統計

答え: s = 17.89

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 = 164/5 = 32.8

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 2.2² + 8.2² + (−20.8)² + (−13.8)² + 24.2² = 1281

標準偏差

s = √(1281/4) = 17.89

答え

s = 17.89
4.記述統計

答え: P = 0.7257

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 = 0.6

標準正規分布表

Φ(0.6) = 0.7257
P = 0.7257

答え

P = 0.7257
5.確率

答え: N = 715

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(13, 4) = (13·12·11·10)/(4·3·2·1) = 715

答え

N = 715
6.確率

答え: P = 0.01733

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。

二項分布の公式

P(X = 4) = 330·0.74·0.37 = 330·0.2401·0.0002187 = 0.01733

答え

P = 0.01733
7.正規分布

答え: P = 0.4822

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 = (27.5 − 32)/6 = −0.75
z₂ = (35.3 − 32)/6 = 0.55

間の面積

P = Φ(0.55) − Φ(−0.75) = 0.7088 − 0.2266 = 0.4822

答え

P = 0.4822
8.正規分布

答え: x = 181.6 cm

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) = 0.7

表からの z

z ≈ 0.52

元の単位に戻す

x = 178 + 0.52·7 = 181.6 cm

答え

x = 181.6 cm
9.信頼区間

答え: E = 13.31

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 = 3.707

誤差の幅

E = 3.707·9.5/√7 = 13.31

答え

E = 13.31
10.信頼区間

答え: σ = 1.344 µm

分散の区間:(n − 1)s²/σ² は自由度 n − 1 の χ² 分布に従います。σ² の 95% 区間は、(n − 1)s² を上側の χ² 値(その上に 2.5%)で割った値から、下側の χ² 値(その下に 2.5%)で割った値までです。σ の区間は両方の限界の平方根です。s に関して対称ではありません。

平方和

(n − 1)s² = 29·1² = 29

σ² の限界

29/45.722 = 0.6343
29/16.047 = 1.807

σ の限界

σ = √1.807 = 1.344 µm

答え

σ = 1.344 µm

σ の 95% 区間:[0.7964, 1.344] µm。

11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −2.293

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 = (13·5.5² + 11·9²)/24 = 53.51
sp = 7.315

標準誤差

SE = 7.315·√(1/14 + 1/12) = 2.878

検定統計量

t = (111 − 117.6)/2.878 = −2.293

答え

t = −2.293

df = 24 のとき、両側 5% の臨界値は 2.064 です。|t| の方が大きいので、H₀ は棄却されます。

12.仮説検定と信頼区間

答え: n = 20

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。

n について解く

n = (1.645·4/1.5)² = 19.24

切り上げる

n = 20

答え

n = 20
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.965

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 = 62/6 = 10.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 98
Syy = Σ(y − ȳ)² = 147.3

相関係数

r = 98/√(70·147.3) = 0.965

答え

r = 0.965
14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 12.35

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 = 79/5 = 15.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −23

回帰直線

b = −23/10 = −2.3
a = 15.8 − (−2.3)·3 = 22.7
ŷ = 22.7 − 2.3·x

予測

ŷ = 22.7 + (−2.3)·4.5 = 12.35

答え

ŷ = 12.35
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 8.056

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: 80·32/160 = 16, 80·72/160 = 36, 80·56/160 = 28
夜勤: 80·32/160 = 16, 80·72/160 = 36, 80·56/160 = 28

カイ二乗統計量

χ² = (10 − 16)²/16 + (35 − 36)²/36 + (35 − 28)²/28 + (22 − 16)²/16 + (37 − 36)²/36 + (21 − 28)²/28
χ² = 8.056

答え

χ² = 8.056

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: χ² = 3.81

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。

期待度数

ライン 1: 12, 28
ライン 2: 12, 28
ライン 3: 12, 28

カイ二乗統計量

χ² = (8 − 12)²/12 + (32 − 28)²/28 + (16 − 12)²/12 + (24 − 28)²/28 + (12 − 12)²/12 + (28 − 28)²/28
χ² = 3.81

判断

df = 2, χ²crit = 9.210
3.81 < 9.210

答え

χ² = 3.81

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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