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. A2 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. B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
  3. C同じ日に資料を 2 回コード化する
  4. Dより大きな資料の標本を使う
2.心理学研究法むずかしい

参加者 10 人の研究で、効果は大きいものの有意ではありませんでした。最も適切な結論はどれですか?

  1. A効果量の計算が誤っているに違いない
  2. B効果が有意でなかったので、研究は帰無仮説が正しいことを証明している
  3. Cその効果は第 1 種の過誤に違いない
  4. D検定力が不足していた可能性があり、結果は決定的ではない
3.記述統計ふつう
3940414243444546474849

データの標本標準偏差 s を求めなさい:43, 48, 49, 39, 43。

n = 5
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 500、標準偏差 60 の正規分布に従います。380 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 500σ = 60x = 380
P =
5.確率ふつう
xp(x)10.2520.130.2540.150.3μ = 3.1

示された分布について、X の分散 Var(X) を求めなさい。

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0.25, 0.1, 0.25, 0.1, 0.3
Var(X) =
6.確率むずかしい
n = 11, p = 0.2: P(X = 4) = ?k01234567891011

あるテストには選択問題が 11 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 0.2 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 = 11p = 0.2k = 4
P =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.0606

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.0606 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 = 0.0606
z =
8.正規分布むずかしい
10 g0X − Y?

ライン 1 の製品の質量 X とライン 2 の製品の質量 Y は独立な正規変数です:X は平均 500 g、標準偏差 8 g、Y は平均 490 g、標準偏差 6 g です。X が Y より大きい確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

μX = 500 g, σX = 8 gμY = 490 g, σY = 6 g
P =
9.信頼区間ふつう
n = 16, s = 3LUx̄ = 40.5E = ?99%

16 個からなる標本の平均は 40.5、標準偏差は s = 3 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 = 16x̄ = 40.5s = 399%t(15) = 2.947
E =
10.信頼区間むずかしい
σ = 9, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 190%

母標準偏差は 9 です。平均の 90% 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 = 9E = 190%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.42p = ?

ある母集団の平均は 50 であると主張されています。母標準偏差は 6 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 48.79 です。H₀: μ = 50 対 H₁: μ < 50 を検定します。p 値 p を求めなさい。

μ₀ = 50σ = 6n = 144x̄ = 48.79H₁: μ < μ₀
p =
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 48.4 です。母標準偏差は 8 です。平均の 95% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 48.4σ = 8n = 4995%
L =
13.線形回帰と相関ふつう
xy21041362082710331239xy51010203040

表は x = 荷重 (kN) と y = 伸び (mm) の 6 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 = 6Σx = 42Σy = 142Σx² = 364Σy² = 4008Σxy = 1206
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy36055977497311781388xy51060708090x = 4

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 ŷ = a + b·x を用います。 x = 4 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 6x = 4
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤26162769夜勤39241881合計654045150

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、軽微」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 81列の合計 = 40N = 150
E =
16.カイ二乗検定むずかしい
合格不合格合計ライン 13664100ライン 2324880ライン 31684100合計84196280dfα = 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 = 0.05 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 = 2803 × 2α = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: A · 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

A · 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: D · 検定力が不足していた可能性があり、結果は決定的ではない

これが答えになる理由

標本が小さいと、本当の効果でも有意にならないことがよくあります(第 2 種の過誤)。研究者は効果量と信頼区間を報告し、より大きな標本で追試すべきです。

答え

D · 検定力が不足していた可能性があり、結果は決定的ではない
3.記述統計

答え: s = 4.099

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 = 222/5 = 44.4

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−1.4)² + 3.6² + 4.6² + (−5.4)² + (−1.4)² = 67.2

標準偏差

s = √(67.2/4) = 4.099

答え

s = 4.099
4.記述統計

答え: P = 0.9772

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 = −2

標準正規分布表

Φ(−2) = 0.02275
P = 1 − 0.02275 = 0.9772

答え

P = 0.9772
5.確率

答え: Var(X) = 2.39

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 = 1·0.25 + 2·0.1 + 3·0.25 + 4·0.1 + 5·0.3 = 3.1

2 乗の平均

E(X²) = 1·0.25 + 4·0.1 + 9·0.25 + 16·0.1 + 25·0.3 = 12

分散

Var(X) = 12 − 3.1² = 2.39

答え

Var(X) = 2.39
6.確率

答え: P = 0.1107

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) = 330·0.24·0.87 = 330·0.0016·0.2097 = 0.1107

答え

P = 0.1107
7.正規分布

答え: z = 1.55

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 − 0.0606 = 0.9394

z 表を逆に読む

表の中で 0.9394 を見つけ、z を読み取ります。

z = 1.55

答え

z = 1.55
8.正規分布

答え: P = 0.8413

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 = 500 − 490 = 10 g, σ = 10 g

標準化する

z = (0 − 10)/10 = −1

確率

P = 1 − Φ(−1) = 0.8413

答え

P = 0.8413
9.信頼区間

答え: E = 2.21

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 = 15, t = 2.947

誤差の幅

E = 2.947·3/√16 = 2.21

答え

E = 2.21
10.信頼区間

答え: n = 220

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 = (1.645·9/1)² = 219.2

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 = 220

答え

n = 220
11.仮説検定と信頼区間

答え: p = 0.00776

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 = 6/√144 = 0.5
z = (48.79 − 50)/0.5 = −2.42

裾の面積

Φ(2.42) = 0.9922
1 − Φ(2.42) = 0.0078

p 値

p = 0.00776

答え

p = 0.00776

p ≤ 0.05 なので、有意水準 5% で H₀ は棄却されます。

12.仮説検定と信頼区間

答え: L = 46.16

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

L = 48.4 − 2.24 = 46.16

答え

L = 46.16
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9959

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 = 1206 − 42·142/6 = 212
Sxx = 364 − 42²/6 = 70
Syy = 4008 − 142²/6 = 647.3

相関係数

r = 212/√(70·647.3) = 0.9959

答え

r = 0.9959
14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 60.8

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 = 432/6 = 72

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 196

回帰直線

b = 196/70 = 2.8
a = 72 − 2.8·8 = 49.6
ŷ = 49.6 + 2.8·x

予測

ŷ = 49.6 + 2.8·4 = 60.8

答え

ŷ = 60.8
15.カイ二乗検定

答え: E = 21.6

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 = 81·40/150 = 21.6

答え

E = 21.6
16.カイ二乗検定

答え: χ² = 14.86

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

ライン 1: 30, 70
ライン 2: 24, 56
ライン 3: 30, 70

カイ二乗統計量

χ² = (36 − 30)²/30 + (64 − 70)²/70 + (32 − 24)²/24 + (48 − 56)²/56 + (16 − 30)²/30 + (84 − 70)²/70
χ² = 14.86

判断

df = 2, χ²crit = 5.991
14.86 > 5.991

答え

χ² = 14.86

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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