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

大学の母集団と同じ割合で 1 年生、2 年生、3 年生を含む標本を得るには、研究者はどの方法を使うべきですか?

  1. A志願者標本抽出
  2. B層化抽出
  3. Cスノーボール抽出
  4. D機会標本抽出
2.心理学研究法むずかしい

研究の標本の大きさを増やすことが最も直接的にもたらすのは何ですか?

  1. A効果が存在するなら、統計的に有意な結果が保証される
  2. B標本からあらゆる偏りがなくなる
  3. C本当の効果を検出する統計的検定力が高まる
  4. D効果量が大きくなる
3.記述統計ふつう
1520253035404550

データの標本標準偏差 s を求めなさい:17, 47, 54, 13, 14, 32。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 60、標準偏差 5 の正規分布に従います。65 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 60σ = 5x = 65
P =
5.確率ふつう
n = 14k = 2N = ?

14 人のグループから 2 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 = 14k = 2
N =
6.確率むずかしい
xp(x)10.3520.2530.340.1μ

X は示された分布をもち、Y = 3X + 4 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0.35, 0.25, 0.3, 0.1Y = 3X + 4
σY =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123z−z から z の間の色つき面積 = 0.9736

標準正規曲線の下で、−z から z の間の色つき面積が 0.9736 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 = 0.9736
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 0.015 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 = 0.015 mm軸: μ = 25 mm, σ = 0.015 mm
P =
9.信頼区間ふつう
n = 13, sd​ = 6.60LUd̄ = 4.3E = ?99%

13 人の患者の血圧を治療の前後に測定します。差 d = 前 − 後(mmHg)の平均は 4.3、標準偏差は 6.6 です。 差の平均の 99% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 13d̄ = 4.3sd = 6.699%t(12) = 3.055
E = mmHg
10.信頼区間むずかしい
σ = 34, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 199%

母標準偏差は 34 です。平均の 99% 信頼区間の誤差の幅を 1 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 = 34E = 199%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −1.9901.99

学生 81 人の標本の平均点は 500.8、標本標準偏差は 4 です。H₀: μ = 500 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 500x̄ = 500.8s = 4n = 81
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.9601.96

49 回の測定の標本平均は 498.3 です。母標準偏差は 8 です。平均の 95% 信頼区間の上限 U を求めなさい。

x̄ = 498.3σ = 8n = 4995%
U =
13.線形回帰と相関ふつう
xy172419352150234725612764xy20254060

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
xy126221321418512612xy246152025ŷ = 15

表は x = 車の年数(年) と y = 価格(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。 直線が ŷ = 15 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 15
x =
15.カイ二乗検定ふつう
はいいいえ合計男性293160女性483280合計7763140

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 × 2
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 = 0.05 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 · 層化抽出

これが答えになる理由

層化抽出は下位集団(層)を特定し、母集団での大きさに比例して各層から無作為に抽出するため、標本の代表性が高まります。

答え

B · 層化抽出
2.心理学研究法

答え: C · 本当の効果を検出する統計的検定力が高まる

これが答えになる理由

標本が大きいほど標準誤差が小さくなり、検定力が高まります。真の効果量は変わらず、系統的な偏りも取り除かれません。

答え

C · 本当の効果を検出する統計的検定力が高まる
3.記述統計

答え: s = 17.78

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 = 177/6 = 29.5

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−12.5)² + 17.5² + 24.5² + (−16.5)² + (−15.5)² + 2.5² = 1582

標準偏差

s = √(1582/5) = 17.78

答え

s = 17.78
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: N = 91

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(14, 2) = (14·13)/(2·1) = 91

答え

N = 91
6.確率

答え: σY = 3.041

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 = 2.15, Var(X) = 1.028, σX = 1.014

一次変換

σY = |3|·1.014 = 3.041

答え

σY = 3.041

平均は変化します:E(Y) = 3·2.15 + 4 = 10.45。

7.正規分布

答え: z = 2.22

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 + 0.9736)/2 = 0.9868

z 表を逆に読む

表の中で 0.9868 を見つけ、z を読み取ります。

z = 2.22

答え

z = 2.22
8.正規分布

答え: P = 0.9706

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 = 0.02121 mm

標準化する

z = (0 − 0.04)/0.02121 = −1.89

確率

P = 1 − Φ(−1.89) = 0.9706

答え

P = 0.9706
9.信頼区間

答え: E = 5.592 mmHg

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.

臨界値

df = 12, t = 3.055

誤差の幅

E = 3.055·6.6/√13 = 5.592

答え

E = 5.592 mmHg
10.信頼区間

答え: n = 7671

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 = (2.576·34/1)² = 7671

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 = 7671

答え

n = 7671
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 1.8

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 = 4/√81 = 4/9 = 0.4444

検定統計量

t = (500.8 − 500)/0.4444 = 1.8

答え

t = 1.8
t0.025; df = 80 = 1.99

|t| < 1.99 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: U = 500.5

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 = 1.96·8/√49 = 2.24

区間の端

U = 498.3 + 2.24 = 500.5

答え

U = 500.5
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9259

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 = 132/6 = 22
ȳ = 281/6 = 46.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 275
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1167

決定係数

r² = 275²/(70·1167) = 0.9259

答え

r² = 0.9259

y の変動の約 92.59% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: x = 4.667

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 = 21/6 = 3.5
ȳ = 110/6 = 18.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −50

回帰直線

b = −50/17.5 = −2.857
a = 18.33 − (−2.857)·3.5 = 28.33
ŷ = 28.33 − 2.857·x

x について解く

x = (15 − 28.33)/(−2.857) = 4.667

答え

x = 4.667
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 1.886

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

男性: 60·77/140 = 33, 60·63/140 = 27
女性: 80·77/140 = 44, 80·63/140 = 36

カイ二乗統計量

χ² = (29 − 33)²/33 + (31 − 27)²/27 + (48 − 44)²/44 + (32 − 36)²/36
χ² = 1.886

答え

χ² = 1.886

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

16.カイ二乗検定

答え: χ²crit = 14.07

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 = 0.05) = 14.067

答え

χ²crit = 14.067

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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