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

観察の行動カテゴリーを、データ収集の前に操作的に定義するのはなぜですか?

  1. A観察者が同じ行動を一貫して記録し、信頼性が高まるようにするため
  2. B観察を実験にするため
  3. Cデータを見た後で仮説を変えられるようにするため
  4. D参加者が何が記録されているかを正確に知るため
2.心理学研究法むずかしい

学習時間と睡眠から試験の得点を予測する重回帰分析で、R² = 0.36 でした。これは何を意味しますか?

  1. A学生の 36% が試験に合格した
  2. B予測変数間の相関が 0.36 である
  3. C学習時間が試験の成功の 36% を引き起こしている
  4. D予測変数が合わせて試験の得点の分散の 36% を説明している
3.記述統計ふつう
202530354045

データの標本標準偏差 s を求めなさい:36, 37, 45, 25, 19。

n = 5
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 170、標準偏差 12 の正規分布に従います。177.2 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 170σ = 12x = 177.2
z =
5.確率ふつう
n = 13k = 4N = ?

13 人のグループから 4 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 = 13k = 4
N =
6.確率むずかしい
€p(x)−100.74200.254900.01

ゲームの参加費は €10 です。確率 0.25 で €30、確率 0.01 で €500 を獲得し、それ以外では何も獲得しません。賭け金は戻りません。1 ゲームあたりの純利得の期待値 E(G) を求めなさい。

賭け金 = €10€30: p = 0.25€500: p = 0.01
E(G) = €
7.正規分布ふつう
164.35183.95P = ?

成人男性の身長は、平均 178 cm、標準偏差 7 cm の正規分布に従います。164.35 から 183.95 cm の間にある割合はいくらですか?P を小数で答えなさい。

μ = 178σ = 7x1 = 164.35x2 = 183.95
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 178x = ?5%

成人男性の身長は、平均 178 cm、標準偏差 7 cm の正規分布に従います。全体の 5% がそれより下にある値 x(第 5 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 178σ = 7P = 5%
x = cm
9.信頼区間ふつう
n = 11, s = 15LU = ?x̄ = 118E95%

11 個からなる標本の平均は 118、標準偏差は s = 15 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 95% 信頼区間の上限を求めなさい。

n = 11x̄ = 118s = 1595%t(10) = 2.228
上限 =
10.信頼区間むずかしい
μ₁ − μ₂, t(10) = 2.2280LUx̄₁ − x̄₂E = ?95%

2 種類の肥料を試験します。区画群 1:7 区画、平均収量 72.5 kg、標準偏差 9 kg。区画群 2:5 区画、平均 75 kg、標準偏差 5 kg。等分散を仮定します(プールした t、df = n₁ + n₂ − 2)。 μ₁ − μ₂ の 95% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n₁ = 7x̄₁ = 72.5s₁ = 9n₂ = 5x̄₂ = 75s₂ = 595%t(10) = 2.228
E = kg
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.0932.093t = ?df = 19

20 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 5.23、差の標準偏差は 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 = 20d̄ = 5.23sd = 6
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
μ₀x̄c

H₀: μ = 80 対 H₁: μ > 80 の片側 z 検定を、α = 0.10、標本サイズ 25 で行います。標準偏差は 12.5 であることがわかっています。実際の平均は 84.5 です。 第 2 種の誤りの確率 β をパーセントで求めなさい。

μ₀ = 80μ = 84.5σ = 12.5n = 25α = 0.10
β = %
13.線形回帰と相関ふつう
xy125221320422517617xy2462025

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
xy17492066237826782910132104xy2025306080100x = 18.5

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 ŷ = a + b·x を用います。 新しい観測値 (18.5, 55) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 6(18.5, 55)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
バス自転車車合計学生30122062職員38181066合計683030128

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「職員、自転車」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 66列の合計 = 30N = 128
E =
16.カイ二乗検定むずかしい
はいいいえ合計18~30 歳554510031~50 歳643610051 歳以上919100合計21090300dfα = 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 = 3003 × 2α = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: A · 観察者が同じ行動を一貫して記録し、信頼性が高まるようにするため

これが答えになる理由

明確で観察可能なカテゴリー(例えば「平手でたたく」)は主観的な判断を減らし、観察者間信頼性を高めます。

答え

A · 観察者が同じ行動を一貫して記録し、信頼性が高まるようにするため
2.心理学研究法

答え: D · 予測変数が合わせて試験の得点の分散の 36% を説明している

これが答えになる理由

R² は、すべての予測変数を合わせて結果のばらつきのどれだけが説明されるかを示します。因果関係を確立するものではありません。

答え

D · 予測変数が合わせて試験の得点の分散の 36% を説明している
3.記述統計

答え: s = 10.33

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 = 162/5 = 32.4

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 3.6² + 4.6² + 12.6² + (−7.4)² + (−13.4)² = 427.2

標準偏差

s = √(427.2/4) = 10.33

答え

s = 10.33
4.記述統計

答え: z = 0.6

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 = (177.2 − 170)/12 = 0.6

答え

z = 0.6
5.確率

答え: N = 715

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(13, 4) = (13·12·11·10)/(4·3·2·1) = 715

答え

N = 715
6.確率

答え: E(G) = 2.5 €

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。

純利得の結果

G: 20 (p = 0.25), 490 (p = 0.01), −10 (p = 0.74)

期待値

E(G) = 20·0.25 + 490·0.01 − 10·0.74 = 2.5 €

答え

E(G) = 2.5 €

正の値は、平均して得をすることを意味します。

7.正規分布

答え: P = 0.7767

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。

z スコア

z₁ = (164.35 − 178)/7 = −1.95
z₂ = (183.95 − 178)/7 = 0.85

間の面積

P = Φ(0.85) − Φ(−1.95) = 0.8023 − 0.02559 = 0.7767

答え

P = 0.7767
8.正規分布

答え: x = 166.5 cm

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) = 0.05 → z = −1.645

x に戻す

x = 178 + −1.645·7 = 166.49 cm

答え

x = 166.49 cm
9.信頼区間

答え: 上限 = 128.1

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 = 10, t = 2.228

誤差の幅

E = 2.228·15/√11 = 10.08

区間

118 ± 10.08 → [107.9, 128.1]

答え

上限 = 128.1
10.信頼区間

答え: E = 9.987 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 = (6·9² + 4·5²)/10 = 58.6
sp = 7.655

誤差の幅

E = 2.228·7.655·√(1/7 + 1/5) = 9.987

答え

E = 9.987 kg
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 3.898

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 = 6/√20 = 1.342

検定統計量

t = 5.23/1.342 = 3.898

答え

t = 3.898

df = 19 のとき、両側 5% の臨界値は 2.093 です。|t| の方が大きいので、H₀ は棄却されます。

12.仮説検定と信頼区間

答え: β = 30.22 %

検定の検出力:検出力 = 1 − β は、H₀ が誤っているときに H₀ を棄却する確率です。μ₀ と z_α から境界値 x̄c を求め、真の平均を使って x̄c を超える確率を計算します:z = (x̄c − μ)/(σ/√n)。

臨界標本平均

SE = 12.5/√25 = 2.5
x̄c = 80 + 1.282·2.5 = 83.2

真の平均のもとでの z

z = (83.2 − 84.5)/2.5 = −0.518

第 2 種の誤り

検出力 = P(Z > −0.518) = 69.78%
β = 100% − 69.78% = 30.22%

答え

β = 30.22%
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.7545

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 = 122/6 = 20.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −25
Syy = Σ(y − ȳ)² = 47.33

決定係数

r² = −25²/(17.5·47.33) = 0.7545

答え

r² = 0.7545

y の変動の約 75.45% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: e = −2.619

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 = 147/6 = 24.5
ȳ = 476/6 = 79.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 570

回帰直線

b = 570/157.5 = 3.619
a = 79.33 − 3.619·24.5 = −9.333
ŷ = −9.333 + 3.619·x

予測値

ŷ = −9.333 + 3.619·18.5 = 57.62

残差

e = 55 − 57.62 = −2.619

答え

e = −2.619

点は直線より下にあります。

15.カイ二乗検定

答え: E = 15.47

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 = 66·30/128 = 15.47

答え

E = 15.47
16.カイ二乗検定

答え: χ² = 33.43

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

18~30 歳: 70, 30
31~50 歳: 70, 30
51 歳以上: 70, 30

カイ二乗統計量

χ² = (55 − 70)²/70 + (45 − 30)²/30 + (64 − 70)²/70 + (36 − 30)²/30 + (91 − 70)²/70 + (9 − 30)²/30
χ² = 33.43

判断

df = 2, χ²crit = 5.991
33.43 > 5.991

答え

χ² = 33.43

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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