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志願者標本抽出
  2. Bスノーボール抽出
  3. C層化抽出
  4. D機会標本抽出
2.心理学研究法むずかしい

参加者 10 人の研究で、効果は大きいものの有意ではありませんでした。最も適切な結論はどれですか?

  1. A効果が有意でなかったので、研究は帰無仮説が正しいことを証明している
  2. B検定力が不足していた可能性があり、結果は決定的ではない
  3. C効果量の計算が誤っているに違いない
  4. Dその効果は第 1 種の過誤に違いない
3.記述統計ふつう
10152025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:42, 16, 10, 53, 56, 39, 54。

n = 7
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 10 の正規分布に従います。106 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 100σ = 10x = 106
z =
5.確率ふつう
P(少なくとも 1 回 6 が出る) = ??1?2?3?4?5?6?7?8P(6) = 各回 1/6

公正なさいころを 8 回振ります。少なくとも 1 回 6 が出る確率 P はいくつですか?

n = 8
P =
6.確率むずかしい
n = 8, p = 0.25: P(X = 2) = ?k012345678

あるテストには選択問題が 8 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 0.25 で正解します。ちょうど 2 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 8p = 0.25k = 2
P =
7.正規分布ふつう
225 kg222.8 kgT = X₁ + … + X₉?

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 9 個の合計質量が 222.8 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 = 9> 222.8 kg
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 32x = ?25%

配達時間は、平均 32 min、標準偏差 6 min の正規分布に従います。全体の 25% がそれより下にある値 x(第 25 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 32σ = 6P = 25%
x = min
9.信頼区間ふつう
n = 12, sd​ = 3.80LU = ?d̄ = 9.9E95%

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 9.9、標準偏差は 3.8 です。 差の平均の 95% 信頼区間の上限を求めなさい。

n = 12d̄ = 9.9sd = 3.895%t(11) = 2.201
上限 = mmHg
10.信頼区間むずかしい
n = 25σ = ?Us = 8.395%

機械加工した 25 本の軸の直径の標本標準偏差は 8.3 µm です。直径が正規分布に従うと仮定して、母標準偏差の 95% 信頼区間の下限 σ を求めなさい。df = 24 のとき、χ² 分布の 2.5% は 12.401 より下に、2.5% は 39.364 より上にあります。

n = 25s = 8.3 µmχ² = 12.401, 39.364
σ = µm
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −2.13102.131

学生 16 人の標本の平均点は 97.75、標本標準偏差は 5 です。H₀: μ = 100 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 100x̄ = 97.75s = 5n = 16
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
μ₀x̄c

H₀: μ = 500 対 H₁: μ < 500 の片側 z 検定を、α = 0.05、標本サイズ 64 で行います。標準偏差は 12 であることがわかっています。実際の平均は 497.15 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 = 500μ = 497.15σ = 12n = 64α = 0.05
β = %
13.線形回帰と相関ふつう
xy16621993221062512128133xy2025100

表は x = 気温 (°C) と y = アイスクリームの販売数 の 5 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 = 5Σx = 110Σy = 515Σx² = 2510Σy² = 56059Σxy = 11840
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy127225323419514612xy246152025ŷ = 14

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 ŷ = a + b·x を用います。 直線が ŷ = 14 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 14
x =
15.カイ二乗検定ふつう
改善あり改善なし合計新薬5565120プラセボ156580合計70130200

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 = 2002 × 2
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
合格不合格合計工場 A211940工場 B453580工場 C142640合計8080160dfα = 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 = 1603 × 2α = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: C · 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

C · 層化抽出
2.心理学研究法

答え: B · 検定力が不足していた可能性があり、結果は決定的ではない

これが答えになる理由

標本が小さいと、本当の効果でも有意にならないことがよくあります(第 2 種の過誤)。研究者は効果量と信頼区間を報告し、より大きな標本で追試すべきです。

答え

B · 検定力が不足していた可能性があり、結果は決定的ではない
3.記述統計

答え: s = 18.65

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 = 270/7 = 38.57

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 3.429² + (−22.57)² + (−28.57)² + 14.43² + 17.43² + 0.4286² + 15.43² = 2088

標準偏差

s = √(2088/6) = 18.65

答え

s = 18.65
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 = (106 − 100)/10 = 0.6

答え

z = 0.6
5.確率

答え: P = 0.7674

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。

余事象

P(6 が出ない) = (5/6)8 = 0.2326
P = 1 − 0.2326 = 0.7674

答え

P = 0.7674
6.確率

答え: P = 0.3115

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 = 2) = 28·0.252·0.756 = 28·0.0625·0.178 = 0.3115

答え

P = 0.3115
7.正規分布

答え: P = 0.9292

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 = 225 kg, σT = 0.5·√9 = 1.5 kg

標準化する

z = (222.8 − 225)/1.5 = −1.47

確率

P = 1 − Φ(−1.47) = 0.9292

答え

P = 0.9292
8.正規分布

答え: x = 27.95 min

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) = 0.25 → z = −0.6745

x に戻す

x = 32 + −0.6745·6 = 27.95 min

答え

x = 27.95 min
9.信頼区間

答え: 上限 = 12.31 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 = 2.201

誤差の幅

E = 2.201·3.8/√12 = 2.414

区間

9.9 ± 2.414 → [7.486, 12.31]

答え

上限 = 12.31 mmHg
10.信頼区間

答え: σ = 6.481 µm

分散の区間:(n − 1)s²/σ² は自由度 n − 1 の χ² 分布に従います。σ² の 95% 区間は、(n − 1)s² を上側の χ² 値(その上に 2.5%)で割った値から、下側の χ² 値(その下に 2.5%)で割った値までです。σ の区間は両方の限界の平方根です。s に関して対称ではありません。

平方和

(n − 1)s² = 24·8.3² = 1653

σ² の限界

1653/39.364 = 42
1653/12.401 = 133.3

σ の限界

σ = √42 = 6.481 µm

答え

σ = 6.481 µm

σ の 95% 区間:[6.481, 11.55] µm。

11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −1.8

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 = 5/√16 = 5/4 = 1.25

検定統計量

t = (97.75 − 100)/1.25 = −1.8

答え

t = −1.8
t0.025; df = 15 = 2.131

|t| < 2.131 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: β = 39.94 %

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/√64 = 1.5
x̄c = 500 − 1.645·1.5 = 497.5

真の平均のもとでの z

z = (497.5 − 497.15)/1.5 = 0.255

第 2 種の誤り

検出力 = P(Z < 0.255) = 60.06%
β = 100% − 60.06% = 39.94%

答え

β = 39.94%
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9792

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 = 11840 − 110·515/5 = 510
Sxx = 2510 − 110²/5 = 90
Syy = 56059 − 515²/5 = 3014

相関係数

r = 510/√(90·3014) = 0.9792

答え

r = 0.9792
14.線形回帰と相関

答え: x = 5.375

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 = 120/6 = 20

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −56

回帰直線

b = −56/17.5 = −3.2
a = 20 − (−3.2)·3.5 = 31.2
ŷ = 31.2 − 3.2·x

x について解く

x = (14 − 31.2)/(−3.2) = 5.375

答え

x = 5.375
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 15.48

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

新薬: 120·70/200 = 42, 120·130/200 = 78
プラセボ: 80·70/200 = 28, 80·130/200 = 52

カイ二乗統計量

χ² = (55 − 42)²/42 + (65 − 78)²/78 + (15 − 28)²/28 + (65 − 52)²/52
χ² = 15.48

答え

χ² = 15.48

df = 1。α = 0.05 での臨界値は 3.841 なので、H₀(独立)は棄却される。

16.カイ二乗検定

答え: χ² = 4.95

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: 20, 20
工場 B: 40, 40
工場 C: 20, 20

カイ二乗統計量

χ² = (21 − 20)²/20 + (19 − 20)²/20 + (45 − 40)²/40 + (35 − 40)²/40 + (14 − 20)²/20 + (26 − 20)²/20
χ² = 4.95

判断

df = 2, χ²crit = 5.991
4.95 < 5.991

答え

χ² = 4.95

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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