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

専門家が、数学の試験の項目がシラバスのすべての単元を網羅しているかを確認します。これは何を評価していますか?

  1. A生態学的妥当性
  2. B予測的妥当性
  3. C内容的妥当性
  4. D再検査信頼性
2.心理学研究法むずかしい

2 × 3 の要因計画の分散分析で、ある薬が若い成人では記憶を向上させるが、高齢者ではさせないことがわかりました。何が見つかったのですか?

  1. A床効果
  2. B第 1 種の過誤
  3. C年齢の主効果だけ
  4. D薬と年齢の交互作用
3.記述統計ふつう
152025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:48, 12, 56, 23, 49。

n = 5
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 70、標準偏差 12 の正規分布に従います。55.6 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 70σ = 12x = 55.6
P =
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
n = 11, p = 0.3: 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 0.3 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 = 11p = 0.3k = 4
P =
7.正規分布ふつう
300 kg298.3 kgT = X₁ + … + X₁₂?

セメント袋 の質量は互いに独立で、平均 25 kg、標準偏差 0.5 kg の正規分布に従います。そのうち 12 個の合計質量が 298.3 kg を超える確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

μ = 25 kgσ = 0.5 kgn = 12> 298.3 kg
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 250x = ?90%

袋の重さは、平均 250 g、標準偏差 5 g の正規分布に従います。全体の 90% がそれより下にある値 x(第 90 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 250σ = 5P = 90%
x = g
9.信頼区間ふつう
n = 12, s = 2L = ?Ux̄ = 98.5E99%

12 個からなる標本の平均は 98.5、標準偏差は s = 2 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 = 98.5s = 299%t(11) = 3.106
下限 =
10.信頼区間むずかしい
σ = 13, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 299%

母標準偏差は 13 です。平均の 99% 信頼区間の誤差の幅を 2 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 = 13E = 299%
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 2.95、差の標準偏差は 7.6 です。H₀: μd = 0 の対応のある検定統計量 t を求めなさい。

n = 13d̄ = 2.95sd = 7.6
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 10, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 295%

平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 2 以下にするには、標本はどれだけ大きくなければなりませんか?標準偏差は 10 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 10E = 295%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy145253355458564xy245060

表は x = 勉強時間 と y = 試験の得点 の 5 組の対になった観測値を示しています。 最小二乗直線の決定係数 r² を求めなさい。

n = 5
r² =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy142817402047236626772980xy15202530406080x = 15.5

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 (15.5, 37) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 6(15.5, 37)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
低中高合計都市部9241548農村部13221449合計22462997

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「農村部、高」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 49列の合計 = 29N = 97
E =
16.カイ二乗検定むずかしい

2 行 5 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?

2 × 5
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: C · 内容的妥当性

これが答えになる理由

内容的妥当性は、測定が構成概念のすべての関連する側面を網羅している程度で、通常は専門家が判断します。

答え

C · 内容的妥当性
2.心理学研究法

答え: D · 薬と年齢の交互作用

これが答えになる理由

交互作用は、ある要因の効果が別の要因の水準によって異なるときに起こります。ここでは薬の効果が年齢群に依存しています。

答え

D · 薬と年齢の交互作用
3.記述統計

答え: s = 19.01

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 = 188/5 = 37.6

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 10.4² + (−25.6)² + 18.4² + (−14.6)² + 11.4² = 1445

標準偏差

s = √(1445/4) = 19.01

答え

s = 19.01
4.記述統計

答え: P = 0.8849

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 = −1.2

標準正規分布表

Φ(−1.2) = 0.1151
P = 1 − 0.1151 = 0.8849

答え

P = 0.8849
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: P = 0.2201

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) = 330·0.34·0.77 = 330·0.0081·0.08235 = 0.2201

答え

P = 0.2201
7.正規分布

答え: P = 0.8365

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。

合計の分布

μT = 300 kg, σT = 0.5·√12 = 1.732 kg

標準化する

z = (298.3 − 300)/1.732 = −0.98

確率

P = 1 − Φ(−0.98) = 0.8365

答え

P = 0.8365
8.正規分布

答え: x = 256.4 g

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) = 0.9 → z = 1.282

x に戻す

x = 250 + 1.282·5 = 256.41 g

答え

x = 256.41 g
9.信頼区間

答え: 下限 = 96.71

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 = 3.106·2/√12 = 1.793

区間

98.5 ± 1.793 → [96.71, 100.3]

答え

下限 = 96.71
10.信頼区間

答え: n = 281

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 = (2.576·13/2)² = 280.4

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 = 281

答え

n = 281
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 1.4

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 = 7.6/√13 = 2.108

検定統計量

t = 2.95/2.108 = 1.4

答え

t = 1.4

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 = 97

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。

n について解く

n = (1.96·10/2)² = 96.04

切り上げる

n = 97

答え

n = 97
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9531

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 = 15/5 = 3
ȳ = 275/5 = 55

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 43
Syy = Σ(y − ȳ)² = 194

決定係数

r² = 43²/(10·194) = 0.9531

答え

r² = 0.9531

y の変動の約 95.31% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: e = 2.952

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 = 129/6 = 21.5
ȳ = 338/6 = 56.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 585

回帰直線

b = 585/157.5 = 3.714
a = 56.33 − 3.714·21.5 = −23.52
ŷ = −23.52 + 3.714·x

予測値

ŷ = −23.52 + 3.714·15.5 = 34.05

残差

e = 37 − 34.05 = 2.952

答え

e = 2.952

点は直線より上にあります。

15.カイ二乗検定

答え: E = 14.65

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 = 49·29/97 = 14.65

答え

E = 14.65
16.カイ二乗検定

答え: df = 4

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)·(5 − 1) = 4

答え

df = 4

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