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

内的妥当性とは何を指しますか?

  1. A観察された効果が、ほかの要因ではなく本当に独立変数によって引き起こされたかどうか
  2. B知見が、研究を超えて他の母集団、場面、時期に一般化できるかどうか
  3. Cテストが時間を通じて同じ結果を示すかどうか
  4. D参加者が研究を面白いと感じたかどうか
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
2025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:33, 25, 16, 39, 38, 49, 59。

n = 7
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 100 の正規分布に従います。540 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 500σ = 100x = 540
P =
5.確率ふつう
P(少なくとも 1 回 6 が出る) = ??1?2?3P(6) = 各回 1/6

公正なさいころを 3 回振ります。少なくとも 1 回 6 が出る確率 P はいくつですか?

n = 3
P =
6.確率むずかしい
n = 7, p = 0.1: P(X ≤ 1) = ?k01234567

部品を 7 個試験し、各部品は独立に確率 0.1 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 = 7p = 0.1
P =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.9099

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.9099 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 = 0.9099
z =
8.正規分布むずかしい
μ = 65x = ?25%

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 25% がそれより下にある値 x(第 25 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 65σ = 10P = 25%
x = 点
9.信頼区間ふつう
n = 12, s = 12.5L = ?Ux̄ = 34.5E99%

12 個からなる標本の平均は 34.5、標準偏差は s = 12.5 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 99% 信頼区間の下限を求めなさい。

n = 12x̄ = 34.5s = 12.599%t(11) = 3.106
下限 =
10.信頼区間むずかしい
p ≈ 0.3, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0590%

予備調査によると、製品の約 0.3 が不良品です。 割合の 90% 信頼区間の誤差の幅を 0.05 以下にするには、製品をいくつ n 検査する必要がありますか?

p ≈ 0.3E = 0.0590%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.1792.179t = ?df = 12

13 人の従業員が研修の前後にタイピングテストを受けます。各人について差 d = 後 − 前(1 分あたりの単語数)を記録します。差の平均は 0.89、差の標準偏差は 4 です。H₀: μd = 0 の対応のある検定統計量 t を求めなさい。

n = 13d̄ = 0.89sd = 4
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
H₀H₁μ₀x̄cμ₀ + 4α = 0.01βσ = 25, 検出力 80%, n = ?

α = 0.01 の片側 z 検定で、平均の 4 単位のずれを検出力 80% で検出しなければなりません。標準偏差は 25 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

α = 0.01検出力 = 80%δ = 4σ = 25zα = 2.326zβ = 0.842
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy166518752090221022411226118xy202580100120

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。 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 = 126Σy = 562Σx² = 2716Σy² = 54822Σxy = 12190
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy2741161781910241229xy510102030ŷ = 9

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。 最小二乗直線 ŷ = a + b·x を用います。 直線が ŷ = 9 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 9
x =
15.カイ二乗検定ふつう
バス自転車車合計学生24372990職員21261966合計456348156

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「学生、自転車」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 90列の合計 = 63N = 156
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

2 行 2 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: A · 観察された効果が、ほかの要因ではなく本当に独立変数によって引き起こされたかどうか

これが答えになる理由

内的妥当性が高いとは、交絡、要求特性、実験者バイアスなどの代替説明が排除されていることを意味します。外的妥当性は一般化に関わります。

答え

A · 観察された効果が、ほかの要因ではなく本当に独立変数によって引き起こされたかどうか
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 = 14.34

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 = 259/7 = 37

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−4)² + (−12)² + (−21)² + 2² + 1² + 12² + 22² = 1234

標準偏差

s = √(1234/6) = 14.34

答え

s = 14.34
4.記述統計

答え: P = 0.3446

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 = 0.4

標準正規分布表

Φ(0.4) = 0.6554
P = 1 − 0.6554 = 0.3446

答え

P = 0.3446
5.確率

答え: P = 0.4213

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。

余事象

P(6 が出ない) = (5/6)3 = 0.5787
P = 1 − 0.5787 = 0.4213

答え

P = 0.4213
6.確率

答え: P = 0.8503

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) = 0.97 = 0.4783
P(X = 1) = 7·0.1·0.96 = 0.372

足し合わせる

P = 0.4783 + 0.372 = 0.8503

答え

P = 0.8503
7.正規分布

答え: z = −1.34

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 − 0.9099 = 0.0901

z 表を逆に読む

表の中で 0.0901 を見つけ、z を読み取ります。

z = −1.34

答え

z = −1.34
8.正規分布

答え: x = 58.26 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) = 0.25 → z = −0.6745

x に戻す

x = 65 + −0.6745·10 = 58.26 点

答え

x = 58.26 点
9.信頼区間

答え: 下限 = 23.29

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 = 11, t = 3.106

誤差の幅

E = 3.106·12.5/√12 = 11.21

区間

34.5 ± 11.21 → [23.29, 45.71]

答え

下限 = 23.29
10.信頼区間

答え: n = 228

Confidence interval for a proportion: p̂ ± z·√(p̂(1 − p̂)/n), where p̂ = x/n. To reach a margin E you need n ≥ z²·p(1 − p)/E², rounded up; without a prior estimate use p = 0.5, which gives the largest n.

n について解く

n = 1.645²·0.3·0.7/0.05² = 227.3

切り上げる

n = 228

答え

n = 228
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 0.8022

Testing a mean: the test statistic measures how many standard errors the sample mean lies from the value claimed in H₀: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) when σ is known, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) when it is estimated from the sample. A confidence interval is x̄ ± (critical value)·(standard error).

差の平均の標準誤差

SE = 4/√13 = 1.109

検定統計量

t = 0.89/1.109 = 0.8022

答え

t = 0.8022

df = 12 のとき、両側 5% の臨界値は 2.179 です。|t| の方が小さいので、H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: n = 393

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 + 0.842)·25/4)² = 392

切り上げる

n = 393

答え

n = 393
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9929

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 = 12190 − 126·562/6 = 388
Sxx = 2716 − 126²/6 = 70
Syy = 54822 − 562²/6 = 2181

相関係数

r = 388/√(70·2181) = 0.9929

答え

r = 0.9929
14.線形回帰と相関

答え: x = 2.905

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 = 42/6 = 7
ȳ = 107/6 = 17.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 151

回帰直線

b = 151/70 = 2.157
a = 17.83 − 2.157·7 = 2.733
ŷ = 2.733 + 2.157·x

x について解く

x = (9 − 2.733)/2.157 = 2.905

答え

x = 2.905
15.カイ二乗検定

答え: E = 36.35

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 = 90·63/156 = 36.35

答え

E = 36.35
16.カイ二乗検定

答え: χ²crit = 3.841

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 = (2 − 1)·(2 − 1) = 1

表

χ²crit(df = 1, α = 0.05) = 3.841

答え

χ²crit = 3.841

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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