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
  2. B2 人の研究者に同じ資料をコード化させ、結果を比較する
  3. Cより大きな資料の標本を使う
  4. D同じ日に資料を 2 回コード化する
2.心理学研究法むずかしい

研究者が 3 つ以上の群の平均を比較します。複数の t 検定ではなく一元配置分散分析を使うのはなぜですか?

  1. At 検定は 100 を超える数を扱えないから
  2. Bt 検定を何回も行うと全体の第 1 種の過誤率が膨らむから
  3. C分散分析は、同等の t 検定の組より常に大きな効果を見つけるから
  4. Dt 検定には質的データが必要だから
3.記述統計ふつう
15202530354045505560

データの標本標準偏差 s を求めなさい:60, 38, 53, 13, 35。

n = 5
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 50、標準偏差 12 の正規分布に従います。40.4 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 50σ = 12x = 40.4
z =
5.確率ふつう
n = 15k = 4N = ?

15 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 = 15k = 4
N =
6.確率むずかしい
n = 11, p = 0.7: P(X ≤ 1) = ?k01234567891011

部品を 11 個試験し、各部品は独立に確率 0.7 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 = 11p = 0.7
P =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.7995

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.7995 になるように z をドラッグします。z を小数第 2 位まで求めなさい。

A = 0.7995
z =
8.正規分布むずかしい
μ = 65x = ?75%

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。全体の 75% がそれより下にある値 x(第 75 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 65σ = 10P = 75%
x = 点
9.信頼区間ふつう
n = 30, s = 10.5LUx̄ = 42E = ?90%

30 個からなる標本の平均は 42、標準偏差は s = 10.5 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 90% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 30x̄ = 42s = 10.590%t(29) = 1.699
E =
10.信頼区間むずかしい
μ₁ − μ₂, t(12) = 1.7820LUx̄₁ − x̄₂E = ?90%

2 種類の肥料を試験します。区画群 1:7 区画、平均収量 54.5 kg、標準偏差 5 kg。区画群 2:7 区画、平均 58 kg、標準偏差 6 kg。等分散を仮定します(プールした t、df = n₁ + n₂ − 2)。 μ₁ − μ₂ の 90% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n₁ = 7x̄₁ = 54.5s₁ = 5n₂ = 7x̄₂ = 58s₂ = 690%t(12) = 1.782
E = kg
11.仮説検定と信頼区間ふつう
1.4p = ?

ある母集団の平均は 80 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 82.1 です。H₀: μ = 80 対 H₁: μ > 80 を検定します。p 値 p を求めなさい。

μ₀ = 80σ = 18n = 144x̄ = 82.1H₁: μ > μ₀
p =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
H₀H₁μ₀x̄cμ₀ + 2.5α = 0.01βσ = 7, 検出力 95%, n = ?

α = 0.01 の片側 z 検定で、平均の 2.5 単位のずれを検出力 95% で検出しなければなりません。標準偏差は 7 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

α = 0.01検出力 = 95%δ = 2.5σ = 7zα = 2.326zβ = 1.645
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy34855175696411691383xy5106080

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。 最小二乗直線の決定係数 r² を求めなさい。

n = 6
r² =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy146317722093231012612029134xy15202530100ŷ = 112

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。 直線が ŷ = 112 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 112
x =
15.カイ二乗検定ふつう
低中高合計都市部32323599農村部38231576合計705550175

分割表は観測度数を示しています。カイ二乗独立性検定のために、セル「都市部、中」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 99列の合計 = 55N = 175
E =
16.カイ二乗検定むずかしい
合格不合格合計18~30 歳39418031~50 歳30306051 歳以上51960合計12080200dfα = 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 = 2003 × 2α = 0.01
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: B · 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

B · 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: B · t 検定を何回も行うと全体の第 1 種の過誤率が膨らむから

これが答えになる理由

多くの対比較を行うと偽陽性の可能性が積み重なります。分散分析はすべての群を一度に検定し、その後に補正した事後検定を行います。

答え

B · t 検定を何回も行うと全体の第 1 種の過誤率が膨らむから
3.記述統計

答え: s = 18.21

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 = 199/5 = 39.8

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 20.2² + (−1.8)² + 13.2² + (−26.8)² + (−4.8)² = 1327

標準偏差

s = √(1327/4) = 18.21

答え

s = 18.21
4.記述統計

答え: z = −0.8

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 = (40.4 − 50)/12 = −0.8

答え

z = −0.8
5.確率

答え: N = 1365

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(15, 4) = (15·14·13·12)/(4·3·2·1) = 1365

答え

N = 1365
6.確率

答え: P = 4.724 × 10⁻⁵

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) = 0.311 = 1.771 × 10⁻⁶
P(X = 1) = 11·0.7·0.310 = 4.547 × 10⁻⁵

足し合わせる

P = 1.771 × 10⁻⁶ + 4.547 × 10⁻⁵ = 4.724 × 10⁻⁵

答え

P = 4.724 × 10⁻⁵
7.正規分布

答え: z = −0.84

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。

z の左側の面積

Φ(z) = 1 − 0.7995 = 0.2005

z 表を逆に読む

表の中で 0.2005 を見つけ、z を読み取ります。

z = −0.84

答え

z = −0.84
8.正規分布

答え: x = 71.75 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) = 0.75 → z = 0.6745

x に戻す

x = 65 + 0.6745·10 = 71.75 点

答え

x = 71.75 点
9.信頼区間

答え: E = 3.257

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 = 29, t = 1.699

誤差の幅

E = 1.699·10.5/√30 = 3.257

答え

E = 3.257
10.信頼区間

答え: E = 5.26 kg

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.

プールした標準偏差

sp² = (6·5² + 6·6²)/12 = 30.5
sp = 5.523

誤差の幅

E = 1.782·5.523·√(1/7 + 1/7) = 5.26

答え

E = 5.26 kg
11.仮説検定と信頼区間

答え: p = 0.08076

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 = (82.1 − 80)/1.5 = 1.4

裾の面積

Φ(1.4) = 0.9192
1 − Φ(1.4) = 0.0808

p 値

p = 0.08076

答え

p = 0.08076

p > 0.05 なので、有意水準 5% で H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: n = 124

検定に必要な標本サイズ:有意水準 α の片側 z 検定で、真のずれ δ を検出力 1 − β で検出するには、標準誤差が δ = (z_α + z_β)·σ/√n を満たす必要があるので、n = ((z_α + z_β)·σ/δ)² を切り上げます。

n について解く

n = ((2.326 + 1.645)·7/2.5)² = 123.6

切り上げる

n = 124

答え

n = 124
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9475

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 = 48/6 = 8
ȳ = 371/6 = 61.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 237
Syy = Σ(y − ȳ)² = 846.8

決定係数

r² = 237²/(70·846.8) = 0.9475

答え

r² = 0.9475

y の変動の約 94.75% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: x = 24.57

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 = 129/6 = 21.5
ȳ = 583/6 = 97.17

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 760.5

回帰直線

b = 760.5/157.5 = 4.829
a = 97.17 − 4.829·21.5 = −6.648
ŷ = −6.648 + 4.829·x

x について解く

x = (112 − (−6.648))/4.829 = 24.57

答え

x = 24.57
15.カイ二乗検定

答え: E = 31.11

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

E = 99·55/175 = 31.11

答え

E = 31.11
16.カイ二乗検定

答え: χ² = 22.34

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: 48, 32
31~50 歳: 36, 24
51 歳以上: 36, 24

カイ二乗統計量

χ² = (39 − 48)²/48 + (41 − 32)²/32 + (30 − 36)²/36 + (30 − 24)²/24 + (51 − 36)²/36 + (9 − 24)²/24
χ² = 22.34

判断

df = 2, χ²crit = 9.210
22.34 > 9.210

答え

χ² = 22.34

χ² は臨界値より大きいので、H₀ は棄却されます:変数の間には関連があるようです。

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