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参加者が何が記録されているかを正確に知るため
  2. B観察を実験にするため
  3. C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
  4. Dデータを見た後で仮説を変えられるようにするため
2.心理学研究法むずかしい

研究者が 5 つの t 検定を行い、ボンフェローニ補正で全体の第 1 種の過誤率を 0.05 に保ちたいと考えています。各検定ではどの有意水準を使うべきですか?

  1. A0.25
  2. B0.05
  3. C0.01
  4. D0.025
3.記述統計ふつう
15202530354045

データの標本標準偏差 s を求めなさい:12, 43, 44, 16, 47, 31。

n = 6
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 10 の正規分布に従います。55 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 70σ = 10x = 55
P =
5.確率ふつう
n = 8k = 5N = ?

8 人のグループから 5 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 = 8k = 5
N =
6.確率むずかしい
n = 7, p = 0.3: P(X = 5) = ?k01234567

あるテストには選択問題が 7 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 5 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 7p = 0.3k = 5
P =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.8980

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.8980 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 = 0.8980
z =
8.正規分布むずかしい
10 g0X − Y?

ライン 1 の製品の質量 X とライン 2 の製品の質量 Y は独立な正規変数です:X は平均 500 g、標準偏差 8 g、Y は平均 490 g、標準偏差 6 g 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 = 500 g, σX = 8 gμY = 490 g, σY = 6 g
P =
9.信頼区間ふつう
n = 12, sd​ = 2.40LU = ?d̄ = −2.4E99%

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 −2.4、標準偏差は 2.4 です。 差の平均の 99% 信頼区間の上限を求めなさい。

n = 12d̄ = −2.4sd = 2.499%t(11) = 3.106
上限 = mmHg
10.信頼区間むずかしい
σ = 40, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 0.599%

母標準偏差は 40 です。平均の 99% 信頼区間の誤差の幅を 0.5 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 = 0.599%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −2.06402.064

学生 25 人の標本の平均点は 124.8、標本標準偏差は 20 です。H₀: μ = 120 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 120x̄ = 124.8s = 20n = 25
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
H₀H₁μ₀x̄cμ₀ + 5α = 0.05βσ = 21, 検出力 95%, n = ?

α = 0.05 の片側 z 検定で、平均の 5 単位のずれを検出力 95% で検出しなければなりません。標準偏差は 21 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

α = 0.05検出力 = 95%δ = 5σ = 21zα = 1.645zβ = 1.645
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy136247351454557667xy24640506070

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。 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 = 312Σx² = 91Σy² = 16760Σxy = 1186
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy124327529737944xy53040x = 8

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。 x = 8 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 5x = 8
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤413732110夜勤38161468合計795346178

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 = 110列の合計 = 46N = 178
E =
16.カイ二乗検定むずかしい

3 行 6 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 × 6
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: C · 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

C · 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: C · 0.01

これが答えになる理由

ボンフェローニ補正は α を比較の数で割ります:0.05 / 5 = 0.01。単純ですが保守的で、第 2 種の過誤のリスクを高めます。

答え

C · 0.01
3.記述統計

答え: s = 15.14

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 = 193/6 = 32.17

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−20.17)² + 10.83² + 11.83² + (−16.17)² + 14.83² + (−1.167)² = 1147

標準偏差

s = √(1147/5) = 15.14

答え

s = 15.14
4.記述統計

答え: P = 0.9332

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 = −1.5

標準正規分布表

Φ(−1.5) = 0.06681
P = 1 − 0.06681 = 0.9332

答え

P = 0.9332
5.確率

答え: N = 56

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(8, 5) = (8·7·6·5·4)/(5·4·3·2·1) = 56

答え

N = 56
6.確率

答え: P = 0.025

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 = 5) = 21·0.35·0.72 = 21·0.00243·0.49 = 0.025

答え

P = 0.025
7.正規分布

答え: z = −1.27

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 − 0.8980 = 0.1020

z 表を逆に読む

表の中で 0.1020 を見つけ、z を読み取ります。

z = −1.27

答え

z = −1.27
8.正規分布

答え: P = 0.8413

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 = 500 − 490 = 10 g, σ = 10 g

標準化する

z = (0 − 10)/10 = −1

確率

P = 1 − Φ(−1) = 0.8413

答え

P = 0.8413
9.信頼区間

答え: 上限 = −0.2481 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 = 3.106·2.4/√12 = 2.152

区間

−2.4 ± 2.152 → [−4.552, −0.2481]

答え

上限 = −0.2481 mmHg
10.信頼区間

答え: n = 42469

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 = (2.576·40/0.5)² = 42469

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 = 42469

答え

n = 42469
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 1.2

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/√25 = 20/5 = 4

検定統計量

t = (124.8 − 120)/4 = 1.2

答え

t = 1.2
t0.025; df = 24 = 2.064

|t| < 2.064 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: n = 191

検定に必要な標本サイズ:有意水準 α の片側 z 検定で、真のずれ δ を検出力 1 − β で検出するには、標準誤差が δ = (z_α + z_β)·σ/√n を満たす必要があるので、n = ((z_α + z_β)·σ/δ)² を切り上げます。

n について解く

n = ((1.645 + 1.645)·21/5)² = 190.9

切り上げる

n = 191

答え

n = 191
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9706

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 = 1186 − 21·312/6 = 94
Sxx = 91 − 21²/6 = 17.5
Syy = 16760 − 312²/6 = 536

相関係数

r = 94/√(17.5·536) = 0.9706

答え

r = 0.9706
14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 39.7

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 = 25/5 = 5
ȳ = 161/5 = 32.2

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 100

回帰直線

b = 100/40 = 2.5
a = 32.2 − 2.5·5 = 19.7
ŷ = 19.7 + 2.5·x

予測

ŷ = 19.7 + 2.5·8 = 39.7

答え

ŷ = 39.7
15.カイ二乗検定

答え: E = 28.43

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

E = 110·46/178 = 28.43

答え

E = 28.43
16.カイ二乗検定

答え: df = 10

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)·(6 − 1) = 10

答え

df = 10

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