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

研究者が性別(男性/女性)と好みの映画ジャンル(4 カテゴリー)の間に関連があるかを検定したいと考えています。適切な検定はどれですか?

  1. A一元配置分散分析
  2. B対応のある t 検定
  3. Cピアソンの相関
  4. Dカイ二乗独立性検定
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成績をより正確に測る
  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より多くの学生に調査する
  4. D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
3.記述統計ふつう
34363840424446485052

データの標本標準偏差 s を求めなさい:34, 47, 33, 42, 53。

n = 5
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 60、標準偏差 15 の正規分布に従います。90 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 60σ = 15x = 90
z =
5.確率ふつう
赤: 5青: 7

袋に赤玉 5 個と青玉 7 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?

5 / 7
P =
6.確率むずかしい
xp(x)00.1510.220.330.35μ

X は示された分布をもち、Y = −2X + 5 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0.15, 0.2, 0.3, 0.35Y = −2X + 5
σY =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.3483

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.3483 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 = 0.3483
z =
8.正規分布むずかしい
0.04 mm0D − d?

穴の直径 D は平均 25.04 mm、標準偏差 0.01 mm の正規分布に従います。軸の直径 d は D と独立で、平均 25 mm、標準偏差 0.015 mm の正規分布に従います。無作為に選んだ軸は D − d > 0 のとき穴にはまります。はまる確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

穴: μ = 25.04 mm, σ = 0.01 mm軸: μ = 25 mm, σ = 0.015 mm
P =
9.信頼区間ふつう
n = 20, s = 19.5LUx̄ = 106.5E = ?99%

20 個からなる標本の平均は 106.5、標準偏差は s = 19.5 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 = 20x̄ = 106.5s = 19.599%t(19) = 2.861
E =
10.信頼区間むずかしい
σ = 31, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 490%

母標準偏差は 31 です。平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 4 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 = 31E = 490%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−1.521.52p = ?

ある母集団の平均は 500 であると主張されています。母標準偏差は 12 であることがわかっています。36 個の観測値からなる無作為標本の平均は 503.04 です。H₀: μ = 500 対 H₁: μ ≠ 500 を検定します。p 値 p を求めなさい。

μ₀ = 500σ = 12n = 36x̄ = 503.04H₁: μ ≠ μ₀
p =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.9601.96

64 回の測定の標本平均は 499 です。母標準偏差は 20 です。平均の 95% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 499σ = 20n = 6495%
L =
13.線形回帰と相関ふつう
xy274176238291037xy51010203040

表は x = 荷重 (kN) と y = 伸び (mm) の 5 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 = 5
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy124220317414515xy24152025x = 1.5

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。 新しい観測値 (1.5, 26) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 5(1.5, 26)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
咳あり咳なし合計喫煙者295180非喫煙者73340合計3684120

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 = 1202 × 2
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい

カイ二乗適合度検定で、4 個のカテゴリーの度数が、同じデータから平均を推定したポアソン分布に従うかどうかを調べます。 この検定の自由度 df はいくつですか?

k = 4
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: D · カイ二乗独立性検定

これが答えになる理由

カイ二乗検定は、分割表の観測度数と期待度数を比べ、2 つのカテゴリー変数が関連しているかどうかを検定します。

答え

D · カイ二乗独立性検定
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 = 8.526

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 = 209/5 = 41.8

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−7.8)² + 5.2² + (−8.8)² + 0.2² + 11.2² = 290.8

標準偏差

s = √(290.8/4) = 8.526

答え

s = 8.526
4.記述統計

答え: z = 2

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 = (90 − 60)/15 = 2

答え

z = 2
5.確率

答え: P = 0.1515

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 = 5/12 · 4/11 = 20/132 = 0.1515

答え

P = 0.1515
6.確率

答え: σY = 2.124

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 = 1.85, Var(X) = 1.128, σX = 1.062

一次変換

σY = |−2|·1.062 = 2.124

答え

σY = 2.124

平均は変化します:E(Y) = −2·1.85 + 5 = 1.3。

7.正規分布

答え: z = 0.39

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 − 0.3483 = 0.6517

z 表を逆に読む

表の中で 0.6517 を見つけ、z を読み取ります。

z = 0.39

答え

z = 0.39
8.正規分布

答え: P = 0.9868

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。

差の分布

μ = 25.04 − 25 = 0.04 mm, σ = 0.01803 mm

標準化する

z = (0 − 0.04)/0.01803 = −2.22

確率

P = 1 − Φ(−2.22) = 0.9868

答え

P = 0.9868
9.信頼区間

答え: E = 12.47

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 = 19, t = 2.861

誤差の幅

E = 2.861·19.5/√20 = 12.47

答え

E = 12.47
10.信頼区間

答え: n = 163

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 = (1.645·31/4)² = 162.5

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 = 163

答え

n = 163
11.仮説検定と信頼区間

答え: p = 0.1285

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 = 12/√36 = 2
z = (503.04 − 500)/2 = 1.52

裾の面積

Φ(1.52) = 0.9357
1 − Φ(1.52) = 0.0643

p 値

p = 2·0.0643 = 0.1285

答え

p = 0.1285

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: L = 494.1

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 = 1.96·20/√64 = 4.9

区間の端

L = 499 − 4.9 = 494.1

答え

L = 494.1
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9954

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 = 30/5 = 6
ȳ = 113/5 = 22.6

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 144
Syy = Σ(y − ȳ)² = 523.2

相関係数

r = 144/√(40·523.2) = 0.9954

答え

r = 0.9954
14.線形回帰と相関

答え: e = 4.4

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 = 90/5 = 18

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −24

回帰直線

b = −24/10 = −2.4
a = 18 − (−2.4)·3 = 25.2
ŷ = 25.2 − 2.4·x

予測値

ŷ = 25.2 + (−2.4)·1.5 = 21.6

残差

e = 26 − 21.6 = 4.4

答え

e = 4.4

点は直線より上にあります。

15.カイ二乗検定

答え: χ² = 4.464

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

喫煙者: 80·36/120 = 24, 80·84/120 = 56
非喫煙者: 40·36/120 = 12, 40·84/120 = 28

カイ二乗統計量

χ² = (29 − 24)²/24 + (51 − 56)²/56 + (7 − 12)²/12 + (33 − 28)²/28
χ² = 4.464

答え

χ² = 4.464

df = 1。α = 0.05 での臨界値は 3.841 なので、H₀(独立)は棄却される。

16.カイ二乗検定

答え: df = 2

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 = 4 − 1 − 1 = 2

答え

df = 2

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