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

所得のような正に歪んだ分布ではどうなりますか?

  1. A平均値が中央値より小さい
  2. B極端な得点がない
  3. C平均値と中央値は常に等しい
  4. D平均値が中央値より大きい
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
152025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:13, 42, 58, 51, 36, 25。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 500、標準偏差 25 の正規分布に従います。531.3 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 500σ = 25x = 531.3
z =
5.確率ふつう
xp(x)00.3510.320.35μ = 1

示された分布について、X の分散 Var(X) を求めなさい。

x: 0, 1, 2p(x): 0.35, 0.3, 0.35
Var(X) =
6.確率むずかしい
xp(x)00.3520.340.360.05μ

X は示された分布をもち、Y = 10X + 5 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0.35, 0.3, 0.3, 0.05Y = 10X + 5
σY =
7.正規分布ふつう
57.585.5P = ?

試験の得点は、平均 65 点、標準偏差 10 点 の正規分布に従います。57.5 から 85.5 点 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 = 65σ = 10x1 = 57.5x2 = 85.5
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 100x = ?97.5%

IQ スコアは、平均 100 点、標準偏差 15 点 の正規分布に従います。全体の 97.5% がそれより下にある値 x(第 97.5 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 100σ = 15P = 97.5%
x = 点
9.信頼区間ふつう
x̄E₁ = 10.390%, n = 25x̄E₂ = ?90%, n = 225

σ が既知のもとで 25 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。 同じ研究で代わりに 225 個の観測値を使うと、誤差の幅 E₂ はいくらになりますか?

90%n₁ = 25E₁ = 10.3n₂ = 225
E₂ =
10.信頼区間むずかしい
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.02599%

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 0.025 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 = 0.02599%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −2.13102.131

学生 16 人の標本の平均点は 76.75、標本標準偏差は 10 です。H₀: μ = 75 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 75x̄ = 76.75s = 10n = 16
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 8, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 390%

平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 3 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 8 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 8E = 390%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy243352459566670767xy246506070

表は x = 勉強時間 と y = 試験の得点 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
xy163919382245255828633180xy15202530406080x = 17.5

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

n = 6(17.5, 40)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
低中高合計都市部16224280農村部5342160合計215663140

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 = 1402 × 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: D · 平均値が中央値より大きい

これが答えになる理由

右の裾にある少数の非常に高い値が平均値を中央値より上に引き上げます。そのため、歪んだデータではよく中央値が報告されます。

答え

D · 平均値が中央値より大きい
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 = 16.62

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 = 225/6 = 37.5

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−24.5)² + 4.5² + 20.5² + 13.5² + (−1.5)² + (−12.5)² = 1382

標準偏差

s = √(1382/5) = 16.62

答え

s = 16.62
4.記述統計

答え: z = 1.25

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 = (531.3 − 500)/25 = 1.25

答え

z = 1.25
5.確率

答え: Var(X) = 0.7

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。

平均

μ = 0·0.35 + 1·0.3 + 2·0.35 = 1

2 乗の平均

E(X²) = 0·0.35 + 1·0.3 + 4·0.35 = 1.7

分散

Var(X) = 1.7 − 1² = 0.7

答え

Var(X) = 0.7
6.確率

答え: σY = 18.41

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 = 2.1, Var(X) = 3.39, σX = 1.841

一次変換

σY = |10|·1.841 = 18.41

答え

σY = 18.41

平均は変化します:E(Y) = 10·2.1 + 5 = 26。

7.正規分布

答え: P = 0.7532

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 = (57.5 − 65)/10 = −0.75
z₂ = (85.5 − 65)/10 = 2.05

間の面積

P = Φ(2.05) − Φ(−0.75) = 0.9798 − 0.2266 = 0.7532

答え

P = 0.7532
8.正規分布

答え: x = 129.4 点

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) = 0.975 → z = 1.96

x に戻す

x = 100 + 1.96·15 = 129.4 点

答え

x = 129.4 点
9.信頼区間

答え: E₂ = 3.433

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 = (1.645/1.645)·√(25/225) = 0.3333

新しい誤差の幅

E₂ = 10.3·0.3333 = 3.433

答え

E₂ = 3.433
10.信頼区間

答え: n = 2655

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 = 2.576²·0.5·0.5/0.025² = 2654

切り上げる

n = 2655

答え

n = 2655
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 0.7

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 = 10/√16 = 10/4 = 2.5

検定統計量

t = (76.75 − 75)/2.5 = 0.7

答え

t = 0.7
t0.025; df = 15 = 2.131

|t| < 2.131 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: 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 = (1.645·8/3)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 = 0.9331

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 = 27/6 = 4.5
ȳ = 357/6 = 59.5

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 90.5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 537.5

相関係数

r = 90.5/√(17.5·537.5) = 0.9331

答え

r = 0.9331
14.線形回帰と相関

答え: e = 2.91

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。

平均

x̄ = 141/6 = 23.5
ȳ = 323/6 = 53.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 439.5

回帰直線

b = 439.5/157.5 = 2.79
a = 53.83 − 2.79·23.5 = −11.74
ŷ = −11.74 + 2.79·x

予測値

ŷ = −11.74 + 2.79·17.5 = 37.09

残差

e = 40 − 37.09 = 2.91

答え

e = 2.91

点は直線より上にあります。

15.カイ二乗検定

答え: χ² = 12.74

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: 80·21/140 = 12, 80·56/140 = 32, 80·63/140 = 36
農村部: 60·21/140 = 9, 60·56/140 = 24, 60·63/140 = 27

カイ二乗統計量

χ² = (16 − 12)²/12 + (22 − 32)²/32 + (42 − 36)²/36 + (5 − 9)²/9 + (34 − 24)²/24 + (21 − 27)²/27
χ² = 12.74

答え

χ² = 12.74

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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