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

平均の標準誤差が小さくなるのはどのような場合ですか?

  1. A標本サイズが小さくなったとき
  2. B標本サイズが大きくなったとき
  3. C平均が大きくなったとき
  4. D変数が順序尺度で測定されたとき
2.心理学研究法むずかしい

研究者が 9 つの時点でデータを集め、補正なしで毎回 5% 水準で検定しています。何が問題ですか?

  1. A検定のたびに効果量が小さくなる
  2. B少なくとも 1 回偽陽性が生じる確率が 5% を大きく上回る
  3. Cデータが毎回より信頼できるものになるので、最後の検定が最も正確である
  4. Dこの方法には問題がない
3.記述統計ふつう
3540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:57, 51, 48, 41, 34。

n = 5
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 100、標準偏差 20 の正規分布に従います。120 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 100σ = 20x = 120
P =
5.確率ふつう
xp(x)00.0520.3540.3560.25μ = 3.6

示された分布について、X の標準偏差 σ を求めなさい。

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0.05, 0.35, 0.35, 0.25
σ =
6.確率むずかしい
n = 10, p = 0.7: P(X = 4) = ?k012345678910

あるテストには選択問題が 10 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 = 10p = 0.7k = 4
P =
7.正規分布ふつう
400 g405.7 gT = X₁ + … + X₁₀?

ボルト の質量は互いに独立で、平均 40 g、標準偏差 1.2 g の正規分布に従います。そのうち 10 個の合計質量が 405.7 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。

μ = 40 gσ = 1.2 gn = 10> 405.7 g
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 500x = ?99%

電池の寿命は、平均 500 h、標準偏差 40 h の正規分布に従います。全体の 99% がそれより下にある値 x(第 99 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 500σ = 40P = 99%
x = h
9.信頼区間ふつう
x̄E₁ = 11.590%, n = 64x̄E₂ = ?90%, n = 576

σ が既知のもとで 64 個の観測値に基づく平均の 90% 信頼区間の誤差の幅は 11.5 です。 同じ研究で代わりに 576 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 = 64E₁ = 11.5n₂ = 576
E₂ =
10.信頼区間むずかしい
σ = 12, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 290%

母標準偏差は 12 です。平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 2 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 = 12E = 290%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−1.961.96z = ?

2 つの生産ラインで同じ部品をつくっています。ライン 1:60 個の部品の標本の平均長さは 95.5 mm で、ラインの既知の標準偏差は 14 mm です。ライン 2:50 個の部品の標本の平均は 90.9 mm、既知の標準偏差は 3 mm です。差を x̄₁ − x̄₂(ライン 1 − ライン 2)として、H₀: μ₁ = μ₂ の検定統計量 z を求めなさい。

n₁ = 60x̄₁ = 95.5 mmσ₁ = 14 mmn₂ = 50x̄₂ = 90.9 mmσ₂ = 3 mm
z =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.64501.645

100 回の測定の標本平均は 99.6 です。母標準偏差は 4 です。平均の 90% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 99.6σ = 4n = 10090%
L =
13.線形回帰と相関ふつう
xy178720101231212614729153xy202530100150

表は x = 気温 (°C) と y = アイスクリームの販売数 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 = 115Σy = 609Σx² = 2735Σy² = 77429Σxy = 14541
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy342445552653764861xy4685060x = 4.5

表は x = 広告費(k€) と y = 売上高(k€) 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 (4.5, 50) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 6(4.5, 50)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤19203372夜勤15164071合計343673143

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「夜勤、欠陥なし」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 71列の合計 = 34N = 143
E =
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

3 行 5 列(合計を除く)の分割表について、カイ二乗独立性検定を行います。 表を使って、有意水準 α = 0.05 での臨界値 χ²crit を求めなさい。

α = 0.05
χ²crit =

3溶液

1.心理学研究法

答え: B · 標本サイズが大きくなったとき

これが答えになる理由

標準誤差は、標本平均が母平均の周りでどれだけばらつくかを推定します。標本が大きいほど推定は精密になります。

答え

B · 標本サイズが大きくなったとき
2.心理学研究法

答え: B · 少なくとも 1 回偽陽性が生じる確率が 5% を大きく上回る

これが答えになる理由

9 回の独立した検定では、少なくとも 1 回第 1 種の過誤が生じる確率は約 1 − 0.95⁹ ≈ 37% です。ボンフェローニ補正などで対処します。

答え

B · 少なくとも 1 回偽陽性が生じる確率が 5% を大きく上回る
3.記述統計

答え: s = 8.927

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 = 231/5 = 46.2

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 10.8² + 4.8² + 1.8² + (−5.2)² + (−12.2)² = 318.8

標準偏差

s = √(318.8/4) = 8.927

答え

s = 8.927
4.記述統計

答え: P = 0.1587

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

標準正規分布表

Φ(1) = 0.8413
P = 1 − 0.8413 = 0.1587

答え

P = 0.1587
5.確率

答え: σ = 1.744

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 = 0·0.05 + 2·0.35 + 4·0.35 + 6·0.25 = 3.6

2 乗の平均

E(X²) = 0·0.05 + 4·0.35 + 16·0.35 + 36·0.25 = 16

分散

Var(X) = 16 − 3.6² = 3.04
σ = √3.04 = 1.744

答え

σ = 1.744
6.確率

答え: P = 0.03676

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) = 210·0.74·0.36 = 210·0.2401·0.000729 = 0.03676

答え

P = 0.03676
7.正規分布

答え: P = 0.06681

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。

合計の分布

μT = 400 g, σT = 1.2·√10 = 3.795 g

標準化する

z = (405.7 − 400)/3.795 = 1.5

確率

P = 1 − Φ(1.5) = 0.06681

答え

P = 0.06681
8.正規分布

答え: x = 593.1 h

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) = 0.99 → z = 2.326

x に戻す

x = 500 + 2.326·40 = 593.05 h

答え

x = 593.05 h
9.信頼区間

答え: E₂ = 3.833

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)·√(64/576) = 0.3333

新しい誤差の幅

E₂ = 11.5·0.3333 = 3.833

答え

E₂ = 3.833
10.信頼区間

答え: n = 98

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 = (1.645·12/2)² = 97.42

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 = 98

答え

n = 98
11.仮説検定と信頼区間

答え: z = 2.478

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.

差の標準誤差

SE = √(14²/60 + 3²/50) = √3.447 = 1.857

検定統計量

z = (95.5 − 90.9)/1.857 = 2.478

答え

z = 2.478

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

12.仮説検定と信頼区間

答え: L = 98.94

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。

誤差の幅

E = 1.645·4/√100 = 0.658

区間の端

L = 99.6 − 0.658 = 98.94

答え

L = 98.94
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9869

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 = 14541 − 115·609/5 = 534
Sxx = 2735 − 115²/5 = 90
Syy = 77429 − 609²/5 = 3253

相関係数

r = 534/√(90·3253) = 0.9869

答え

r = 0.9869
14.線形回帰と相関

答え: e = 1.538

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 = 33/6 = 5.5
ȳ = 317/6 = 52.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 76.5

回帰直線

b = 76.5/17.5 = 4.371
a = 52.83 − 4.371·5.5 = 28.79
ŷ = 28.79 + 4.371·x

予測値

ŷ = 28.79 + 4.371·4.5 = 48.46

残差

e = 50 − 48.46 = 1.538

答え

e = 1.538

点は直線より上にあります。

15.カイ二乗検定

答え: E = 16.88

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 = 71·34/143 = 16.88

答え

E = 16.88
16.カイ二乗検定

答え: χ²crit = 15.51

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 = (3 − 1)·(5 − 1) = 8

表

χ²crit(df = 8, α = 0.05) = 15.507

答え

χ²crit = 15.507

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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