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

実験で標準化された教示を使うのは何のためですか?

  1. A研究者が各参加者のニーズに合わせて手続きを調整できるようにするため
  2. B結果が統計的に有意になるようにするため
  3. Cすべての参加者が同じ情報を同じ方法で受け取るようにするため
  4. D参加者が自分の条件を選べるようにするため
2.心理学研究法むずかしい

大きさの等しい 2 つの独立した群について、ある研究が t(28) = 2.50, p = .018 と報告しています。参加者は何人でしたか?

  1. A28
  2. B29
  3. C30
  4. D56
3.記述統計ふつう
202530354045505560

データの標本標準偏差 s を求めなさい:56, 50, 20, 60, 33, 40, 59。

n = 7
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 50、標準偏差 15 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 = 50σ = 15x = 65
P =
5.確率ふつう
赤: 8青: 4

袋に赤玉 8 個と青玉 4 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?

8 / 4
P =
6.確率むずかしい
n = 6, p = 0.3: P(X = 4) = ?k0123456

あるテストには選択問題が 6 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 0.3 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 = 6p = 0.3k = 4
P =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123z−z から z の間の色つき面積 = 0.8969

標準正規曲線の下で、−z から z の間の色つき面積が 0.8969 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 = 0.8969
z =
8.正規分布むずかしい
4 s0X − Y?

走者 A の周回タイム X と走者 B の周回タイム Y は独立な正規変数です:X は平均 52 s、標準偏差 4 s、Y は平均 48 s、標準偏差 3 s 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 = 52 s, σX = 4 sμY = 48 s, σY = 3 s
P =
9.信頼区間ふつう
n = 16, sd​ = 60L = ?Ud̄ = −2.1E90%

16 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 −2.1、標準偏差は 6 です。 差の平均の 90% 信頼区間の下限を求めなさい。

n = 16d̄ = −2.1sd = 690%t(15) = 1.753
下限 = mmHg
10.信頼区間むずかしい
μ₁ − μ₂, t(15) = 2.9470L = ?Ux̄₁ − x̄₂E99%

2 種類の肥料を試験します。区画群 1:6 区画、平均収量 88.5 kg、標準偏差 10 kg。区画群 2:11 区画、平均 92.5 kg、標準偏差 8.5 kg。等分散を仮定します(プールした t、df = n₁ + n₂ − 2)。 μ₁ − μ₂ の 99% 信頼区間の下限を求めなさい。

n₁ = 6x̄₁ = 88.5s₁ = 10n₂ = 11x̄₂ = 92.5s₂ = 8.599%t(15) = 2.947
下限 = kg
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.5712.571t = ?df = 5

6 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 −7.25、差の標準偏差は 7.4 です。H₀: μd = 0 の対応のある検定統計量 t を求めなさい。

n = 6d̄ = −7.25sd = 7.4
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
−1.961.96z = ?

ある臨床試験で、治療 A の患者 120 人中 54 人、治療 B の患者 80 人中 29 人が回復しました。プールした比率を使って、H₀: p₁ = p₂ の検定統計量 z を求めなさい。

x₁ = 54n₁ = 120x₂ = 29n₂ = 80
z =
13.線形回帰と相関ふつう
xy234961181510221226xy5101020

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
xy2541061481810231226xy5101020ŷ = 20

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 = 20 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 20
x =
15.カイ二乗検定ふつう
改善あり改善なし合計新薬235780プラセボ6753120合計90110200

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 = 2002 × 2
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
はいいいえ合計ライン 14060100ライン 2206080ライン 32476100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: C · すべての参加者が同じ情報を同じ方法で受け取るようにするため

これが答えになる理由

標準化によって、手続きのばらつきが剰余変数になるのを防ぎ、研究を再現可能にします。

答え

C · すべての参加者が同じ情報を同じ方法で受け取るようにするため
2.心理学研究法

答え: C · 30

これが答えになる理由

自由度 28 は 28 + 2 = 30 人の参加者を意味し、各群は 15 人です。

答え

C · 30
3.記述統計

答え: s = 15.05

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 = 318/7 = 45.43

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 10.57² + 4.571² + (−25.43)² + 14.57² + (−12.43)² + (−5.429)² + 13.57² = 1360

標準偏差

s = √(1360/6) = 15.05

答え

s = 15.05
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: P = 0.4242

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 = 8/12 · 7/11 = 56/132 = 0.4242

答え

P = 0.4242
6.確率

答え: P = 0.05953

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) = 15·0.34·0.72 = 15·0.0081·0.49 = 0.05953

答え

P = 0.05953
7.正規分布

答え: z = 1.63

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 + 0.8969)/2 = 0.9484

z 表を逆に読む

表の中で 0.9484 を見つけ、z を読み取ります。

z = 1.63

答え

z = 1.63
8.正規分布

答え: P = 0.7881

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 = 52 − 48 = 4 s, σ = 5 s

標準化する

z = (0 − 4)/5 = −0.8

確率

P = 1 − Φ(−0.8) = 0.7881

答え

P = 0.7881
9.信頼区間

答え: 下限 = −4.729 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 = 15, t = 1.753

誤差の幅

E = 1.753·6/√16 = 2.629

区間

−2.1 ± 2.629 → [−4.729, 0.5295]

答え

下限 = −4.729 mmHg
10.信頼区間

答え: 下限 = −17.5 kg

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.

プールした標準偏差

sp² = (5·10² + 10·8.5²)/15 = 81.5
sp = 9.028

誤差の幅

E = 2.947·9.028·√(1/6 + 1/11) = 13.5

区間

−4 ± 13.5 → [−17.5, 9.502]

答え

下限 = −17.5 kg
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −2.4

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 = 7.4/√6 = 3.021

検定統計量

t = −7.25/3.021 = −2.4

答え

t = −2.4

df = 5 のとき、両側 5% の臨界値は 2.571 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: z = 1.23

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.

標本比率

p̂₁ = 54/120 = 0.45
p̂₂ = 29/80 = 0.3625
p̂ = 83/200 = 0.415

H₀ のもとでの標準誤差

SE = √(0.415·0.585·(1/120 + 1/80)) = 0.07112

検定統計量

z = (0.45 − 0.3625)/0.07112 = 1.23

答え

z = 1.23

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

13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9815

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 = 86/6 = 14.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 158
Syy = Σ(y − ȳ)² = 363.3

決定係数

r² = 158²/(70·363.3) = 0.9815

答え

r² = 0.9815

y の変動の約 98.15% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: x = 8.892

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 = 96/6 = 16

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 148

回帰直線

b = 148/70 = 2.114
a = 16 − 2.114·7 = 1.2
ŷ = 1.2 + 2.114·x

x について解く

x = (20 − 1.2)/2.114 = 8.892

答え

x = 8.892
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 14.23

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

新薬: 80·90/200 = 36, 80·110/200 = 44
プラセボ: 120·90/200 = 54, 120·110/200 = 66

カイ二乗統計量

χ² = (23 − 36)²/36 + (57 − 44)²/44 + (67 − 54)²/54 + (53 − 66)²/66
χ² = 14.23

答え

χ² = 14.23

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: χ² = 7.429

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 = (40 − 30)²/30 + (60 − 70)²/70 + (20 − 24)²/24 + (60 − 56)²/56 + (24 − 30)²/30 + (76 − 70)²/70
χ² = 7.429

判断

df = 2, χ²crit = 5.991
7.429 > 5.991

答え

χ² = 7.429

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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