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

ほぼ正規分布する間隔尺度のデータで、2 つの独立した群の平均を比較するのに適した検定はどれですか?

  1. Aウィルコクソンの符号付順位検定
  2. Bピアソンの相関
  3. C独立した 2 群の t 検定
  4. Dカイ二乗検定
2.心理学研究法むずかしい

研究者は、アイスクリームの売上と水難事故による死亡が正の相関を示すことを見つけました。最ももっともらしい説明はどれですか?

  1. A暑い天候がアイスクリームの売上と水泳の両方を増やす
  2. B水難事故がアイスクリームの売上を増やす
  3. Cその相関は計算の誤りに違いない
  4. Dアイスクリームが水難事故を引き起こす
3.記述統計ふつう
1520253035

データの標本標準偏差 s を求めなさい:26, 11, 22, 36, 27, 23。

n = 6
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 50 の正規分布に従います。475 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 500σ = 50x = 475
P =
5.確率ふつう
赤: 3青: 6

袋に赤玉 3 個と青玉 6 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?

3 / 6
P =
6.確率むずかしい
n = 11, p = 0.7: P(X ≤ 1) = ?k01234567891011

部品を 11 個試験し、各部品は独立に確率 0.7 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 = 11p = 0.7
P =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.0274

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.0274 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 = 0.0274
z =
8.正規分布むずかしい
380420460500540580620h下端 10%

電池の寿命 は、平均 500 h、標準偏差 40 h の正規分布に従います。色つきの下位 10% が左側になるように、しきい値をドラッグします。しきい値 x を求めなさい。

μ = 500 hσ = 40 h10%
x = h
9.信頼区間ふつう
x̄E₁ = 190%, n = 100x̄E₂ = ?90%, n = 900

σ が既知のもとで 100 個の観測値に基づく平均の 90% 信頼区間の誤差の幅は 1 です。 同じ研究で代わりに 900 個の観測値を使うと、誤差の幅 E₂ はいくらになりますか?

90%n₁ = 100E₁ = 1n₂ = 900
E₂ =
10.信頼区間むずかしい
σ = 40, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 590%

母標準偏差は 40 です。平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 5 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 = 40E = 590%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.3652.365t = ?df = 7

8 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 3.75、差の標準偏差は 10.6 です。H₀: μd = 0 の対応のある検定統計量 t を求めなさい。

n = 8d̄ = 3.75sd = 10.6
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −2.57602.576

100 回の測定の標本平均は 49.6 です。母標準偏差は 4 です。平均の 99% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 49.6σ = 4n = 10099%
L =
13.線形回帰と相関ふつう
xy240348449555665767xy24640506070

表は x = 広告費(k€) と y = 売上高(k€) の 6 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 = 6
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy2294386498611067xy5104060ŷ = 54

表は x = 広告費(k€) と y = 売上高(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。 直線が ŷ = 54 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 5ŷ = 54
x =
15.カイ二乗検定ふつう
バス自転車車合計学生244729100職員4162040合計286349140

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 × 3
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい

3 行 4 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。 この検定の自由度 df はいくつですか?

3 × 4
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: C · 独立した 2 群の t 検定

これが答えになる理由

独立した 2 群の t 検定は 2 つの群の平均を比較します。カイ二乗検定は度数に、ウィルコクソン検定はノンパラメトリックなデータの対応のある標本に使います。

答え

C · 独立した 2 群の t 検定
2.心理学研究法

答え: A · 暑い天候がアイスクリームの売上と水泳の両方を増やす

これが答えになる理由

第三の変数である気温が両方を引き起こしています。これは、相関だけでは因果関係を示せない理由を示しています。

答え

A · 暑い天候がアイスクリームの売上と水泳の両方を増やす
3.記述統計

答え: s = 8.134

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 = 145/6 = 24.17

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 1.833² + (−13.17)² + (−2.167)² + 11.83² + 2.833² + (−1.167)² = 330.8

標準偏差

s = √(330.8/5) = 8.134

答え

s = 8.134
4.記述統計

答え: P = 0.3085

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 = −0.5

標準正規分布表

Φ(−0.5) = 0.3085
P = 0.3085

答え

P = 0.3085
5.確率

答え: P = 0.08333

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 = 3/9 · 2/8 = 6/72 = 0.08333

答え

P = 0.08333
6.確率

答え: P = 4.724 × 10⁻⁵

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) = 0.311 = 1.771 × 10⁻⁶
P(X = 1) = 11·0.7·0.310 = 4.547 × 10⁻⁵

足し合わせる

P = 1.771 × 10⁻⁶ + 4.547 × 10⁻⁵ = 4.724 × 10⁻⁵

答え

P = 4.724 × 10⁻⁵
7.正規分布

答え: z = 1.92

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 − 0.0274 = 0.9726

z 表を逆に読む

表の中で 0.9726 を見つけ、z を読み取ります。

z = 1.92

答え

z = 1.92
8.正規分布

答え: x = 449 h

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。

左側の面積

Φ(z) = 0.1

表からの z

z ≈ −1.28

元の単位に戻す

x = 500 − 1.28·40 = 449 h

答え

x = 449 h
9.信頼区間

答え: E₂ = 0.3333

Confidence interval for a mean: x̄ ± margin of error. With a known population σ the margin is z·σ/√n; with only the sample standard deviation s, use t with n − 1 degrees of freedom: t·s/√n. Critical values: z = 1.645 (90%), 1.96 (95%), 2.576 (99%). To get a margin E or smaller, you need n ≥ (z·σ/E)², rounded up.

誤差の幅の比

E₂/E₁ = (1.645/1.645)·√(100/900) = 0.3333

新しい誤差の幅

E₂ = 1·0.3333 = 0.3333

答え

E₂ = 0.3333
10.信頼区間

答え: n = 174

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 = (1.645·40/5)² = 173.2

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 = 174

答え

n = 174
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 1.001

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 = 10.6/√8 = 3.748

検定統計量

t = 3.75/3.748 = 1.001

答え

t = 1.001

df = 7 のとき、両側 5% の臨界値は 2.365 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: L = 48.57

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 = 2.576·4/√100 = 1.03

区間の端

L = 49.6 − 1.03 = 48.57

答え

L = 48.57
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9803

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 = 27/6 = 4.5
ȳ = 324/6 = 54

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 96
Syy = Σ(y − ȳ)² = 548

相関係数

r = 96/√(17.5·548) = 0.9803

答え

r = 0.9803
14.線形回帰と相関

答え: x = 7.051

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 = 244/5 = 48.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 198

回帰直線

b = 198/40 = 4.95
a = 48.8 − 4.95·6 = 19.1
ŷ = 19.1 + 4.95·x

x について解く

x = (54 − 19.1)/4.95 = 7.051

答え

x = 7.051
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 6.711

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

学生: 100·28/140 = 20, 100·63/140 = 45, 100·49/140 = 35
職員: 40·28/140 = 8, 40·63/140 = 18, 40·49/140 = 14

カイ二乗統計量

χ² = (24 − 20)²/20 + (47 − 45)²/45 + (29 − 35)²/35 + (4 − 8)²/8 + (16 − 18)²/18 + (20 − 14)²/14
χ² = 6.711

答え

χ² = 6.711

df = 2。α = 0.05 での臨界値は 5.991 なので、H₀(独立)は棄却される。

16.カイ二乗検定

答え: df = 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。

自由度

df = (3 − 1)·(4 − 1) = 6

答え

df = 6

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