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

大学の母集団と同じ割合で 1 年生、2 年生、3 年生を含む標本を得るには、研究者はどの方法を使うべきですか?

  1. A層化抽出
  2. B機会標本抽出
  3. Cスノーボール抽出
  4. D志願者標本抽出
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アイスクリームが水難事故を引き起こす
  3. Cその相関は計算の誤りに違いない
  4. D水難事故がアイスクリームの売上を増やす
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:32, 20, 60, 42, 16, 19。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 100、標準偏差 20 の正規分布に従います。70 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 100σ = 20x = 70
z =
5.確率ふつう
n = 10k = 2N = ?

10 人のグループから 2 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 = 10k = 2
N =
6.確率むずかしい
n = 11, p = 0.3: P(X = 1) = ?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 1 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 11p = 0.3k = 1
P =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.9817

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.9817 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 = 0.9817
z =
8.正規分布むずかしい
0.03 mm0D − d?

穴の直径 D は平均 25.03 mm、標準偏差 0.01 mm の正規分布に従います。軸の直径 d は D と独立で、平均 25 mm、標準偏差 0.015 mm の正規分布に従います。無作為に選んだ軸は D − d > 0 のとき穴にはまります。はまる確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

穴: μ = 25.03 mm, σ = 0.01 mm軸: μ = 25 mm, σ = 0.015 mm
P =
9.信頼区間ふつう
n = 12, sd​ = 6.20LU = ?d̄ = 8.4E99%

12 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 8.4、標準偏差は 6.2 です。 差の平均の 99% 信頼区間の上限を求めなさい。

n = 12d̄ = 8.4sd = 6.299%t(11) = 3.106
上限 = mmHg
10.信頼区間むずかしい
σ = 27, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 290%

母標準偏差は 27 です。平均の 90% 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 = 27E = 290%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −2.01102.011

学生 49 人の標本の平均点は 46、標本標準偏差は 20 です。H₀: μ = 50 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 50x̄ = 46s = 20n = 49
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 72.4 です。母標準偏差は 10 です。平均の 99% 信頼区間の上限 U を求めなさい。

x̄ = 72.4σ = 10n = 10099%
U =
13.線形回帰と相関ふつう
xy141251358455567666xy24640506070

表は x = 勉強時間 と y = 試験の得点 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 = 21Σy = 338Σx² = 91Σy² = 19516Σxy = 1268
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy256362466565678xy246607080x = 5.5

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 ŷ = a + b·x を用います。 x = 5.5 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 5x = 5.5
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤32182171夜勤34261575合計664436146

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「日勤、重大」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 71列の合計 = 36N = 146
E =
16.カイ二乗検定むずかしい
はいいいえ合計工場 A305080工場 B285280工場 C384280合計96144240dfα = 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 = 2403 × 2α = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: A · 層化抽出

これが答えになる理由

層化抽出は下位集団(層)を特定し、母集団での大きさに比例して各層から無作為に抽出するため、標本の代表性が高まります。

答え

A · 層化抽出
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 = 17.04

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 = 189/6 = 31.5

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 0.5² + (−11.5)² + 28.5² + 10.5² + (−15.5)² + (−12.5)² = 1452

標準偏差

s = √(1452/5) = 17.04

答え

s = 17.04
4.記述統計

答え: z = −1.5

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 = (70 − 100)/20 = −1.5

答え

z = −1.5
5.確率

答え: N = 45

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(10, 2) = (10·9)/(2·1) = 45

答え

N = 45
6.確率

答え: P = 0.09322

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 = 1) = 11·0.31·0.710 = 11·0.3·0.02825 = 0.09322

答え

P = 0.09322
7.正規分布

答え: z = −2.09

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 − 0.9817 = 0.0183

z 表を逆に読む

表の中で 0.0183 を見つけ、z を読み取ります。

z = −2.09

答え

z = −2.09
8.正規分布

答え: P = 0.9515

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 = 25.03 − 25 = 0.03 mm, σ = 0.01803 mm

標準化する

z = (0 − 0.03)/0.01803 = −1.66

確率

P = 1 − Φ(−1.66) = 0.9515

答え

P = 0.9515
9.信頼区間

答え: 上限 = 13.96 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 = 11, t = 3.106

誤差の幅

E = 3.106·6.2/√12 = 5.559

区間

8.4 ± 5.559 → [2.841, 13.96]

答え

上限 = 13.96 mmHg
10.信頼区間

答え: n = 494

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 = (1.645·27/2)² = 493.2

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 = 494

答え

n = 494
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −1.4

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。

標準誤差

SE = 20/√49 = 20/7 = 2.857

検定統計量

t = (46 − 50)/2.857 = −1.4

答え

t = −1.4
t0.025; df = 48 = 2.011

|t| < 2.011 なので、有意水準 5%(両側)で H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: U = 74.98

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 = 2.576·10/√100 = 2.576

区間の端

U = 72.4 + 2.576 = 74.98

答え

U = 74.98
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.932

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 = 1268 − 21·338/6 = 85
Sxx = 91 − 21²/6 = 17.5
Syy = 19516 − 338²/6 = 475.3

相関係数

r = 85/√(17.5·475.3) = 0.932

答え

r = 0.932
14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 72.45

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 = 20/5 = 4
ȳ = 327/5 = 65.4

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 47

回帰直線

b = 47/10 = 4.7
a = 65.4 − 4.7·4 = 46.6
ŷ = 46.6 + 4.7·x

予測

ŷ = 46.6 + 4.7·5.5 = 72.45

答え

ŷ = 72.45
15.カイ二乗検定

答え: E = 17.51

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 = 71·36/146 = 17.51

答え

E = 17.51
16.カイ二乗検定

答え: χ² = 2.917

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

工場 A: 32, 48
工場 B: 32, 48
工場 C: 32, 48

カイ二乗統計量

χ² = (30 − 32)²/32 + (50 − 48)²/48 + (28 − 32)²/32 + (52 − 48)²/48 + (38 − 32)²/32 + (42 − 48)²/48
χ² = 2.917

判断

df = 2, χ²crit = 5.991
2.917 < 5.991

答え

χ² = 2.917

χ² は臨界値より小さいので、H₀ は棄却されません:関連を示す有意な証拠はありません。

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