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

研究者が、ある辺境の町にテレビが導入される前と後で子どもの攻撃性を比べます。研究者はテレビの導入を統制していません。これは何ですか?

  1. A実験室実験
  2. Bフィールド実験
  3. C自然実験
  4. Dテレビ視聴の相関的な調査
2.心理学研究法むずかしい

ある記憶研究は反復測定デザインで、全員がリスト A の後にリスト B を学習します。再生はリスト B のほうがよい結果でした。最も考えられる欠陥はどれですか?

  1. A大きすぎる標本サイズ
  2. B順序尺度の使用
  3. C条件がカウンターバランスされていないための、練習などの順序効果
  4. D群間の個人差
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:17, 26, 10, 23, 11, 37, 55。

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 20 の正規分布に従います。90 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 100σ = 20x = 90
z =
5.確率ふつう
xp(x)00.0510.320.330.1540.2μ = 2.15

示された分布について、X の標準偏差 σ を求めなさい。

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0.05, 0.3, 0.3, 0.15, 0.2
σ =
6.確率むずかしい
n = 12, p = 0.4: P(X = 3) = ?k0123456789101112

あるテストには選択問題が 12 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 0.4 で正解します。ちょうど 3 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 12p = 0.4k = 3
P =
7.正規分布ふつう
750 g754.9 gX + Y?

X は平均 250 g、標準偏差 4 g の正規分布に従い、Y は X と独立で、平均 500 g、標準偏差 9 g の正規分布に従います。X + Y が 754.9 g 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。

μX = 250, σX = 4μY = 500, σY = 9X + Y > 754.9 g
P =
8.正規分布むずかしい
35455565758595点下端 60%

試験の得点 は、平均 65 点、標準偏差 10 点 の正規分布に従います。色つきの下位 60% が左側になるように、しきい値をドラッグします。しきい値 x を求めなさい。

μ = 65 点σ = 10 点60%
x = 点
9.信頼区間ふつう
n = 6, sd​ = 40LUd̄ = 8.2E = ?95%

6 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 8.2、標準偏差は 4 です。 差の平均の 95% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 6d̄ = 8.2sd = 495%t(5) = 2.571
E = mmHg
10.信頼区間むずかしい
σ = 31, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2.595%

母標準偏差は 31 です。平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 2.5 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 = 31E = 2.595%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.0862.086t = ?df = 20

2 つの指導法を比べます。グループ 1:5 人の学生、平均点 96.5、標準偏差 6.5。グループ 2:17 人の学生、平均点 91.3、標準偏差 2。母分散が等しいと仮定し、プールした 2 標本 t 検定を使います。差を x̄₁ − x̄₂(グループ 1 − グループ 2)として、H₀: μ₁ = μ₂ の検定統計量 t を求めなさい。

n₁ = 5x̄₁ = 96.5s₁ = 6.5n₂ = 17x̄₂ = 91.3s₂ = 2
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
−1.961.96z = ?

ある臨床試験で、治療 A の患者 80 人中 12 人、治療 B の患者 250 人中 65 人が回復しました。プールした比率を使って、H₀: p₁ = p₂ の検定統計量 z を求めなさい。

x₁ = 12n₁ = 80x₂ = 65n₂ = 250
z =
13.線形回帰と相関ふつう
xy255357464569675xy2466070

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。 ピアソンの相関係数 r を求めなさい。

n = 5
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy12722231741651368xy2461020ŷ = 21

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 = 21 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 21
x =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤364531112夜勤16254384合計527074196

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「夜勤、軽微」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 84列の合計 = 70N = 196
E =
16.カイ二乗検定むずかしい

カイ二乗適合度検定で、4 個のカテゴリーの度数が、同じデータから平均を推定したポアソン分布に従うかどうかを調べます。 この検定の自由度 df はいくつですか?

k = 4
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: C · 自然実験

これが答えになる理由

自然実験では、研究者の統制の外にある出来事によって独立変数が変化します。生態学的妥当性は高いですが、無作為割り当てはできません。

答え

C · 自然実験
2.心理学研究法

答え: C · 条件がカウンターバランスされていないための、練習などの順序効果

これが答えになる理由

すべての参加者が同じ順序で条件を経験すると、向上はリストではなく練習を反映しているかもしれません。カウンターバランス(ABBA、または半数が AB、半数が BA)がこれを統制します。

答え

C · 条件がカウンターバランスされていないための、練習などの順序効果
3.記述統計

答え: s = 15.98

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 = 179/7 = 25.57

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−8.571)² + 0.4286² + (−15.57)² + (−2.571)² + (−14.57)² + 11.43² + 29.43² = 1532

標準偏差

s = √(1532/6) = 15.98

答え

s = 15.98
4.記述統計

答え: z = −0.5

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 = (90 − 100)/20 = −0.5

答え

z = −0.5
5.確率

答え: σ = 1.195

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。

平均

μ = 0·0.05 + 1·0.3 + 2·0.3 + 3·0.15 + 4·0.2 = 2.15

2 乗の平均

E(X²) = 0·0.05 + 1·0.3 + 4·0.3 + 9·0.15 + 16·0.2 = 6.05

分散

Var(X) = 6.05 − 2.15² = 1.428
σ = √1.428 = 1.195

答え

σ = 1.195
6.確率

答え: P = 0.1419

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 = 3) = 220·0.43·0.69 = 220·0.064·0.01008 = 0.1419

答え

P = 0.1419
7.正規分布

答え: P = 0.3085

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。

和の分布

μ = 750 g, σ = √(4² + 9²) = 9.849 g

標準化する

z = (754.9 − 750)/9.849 = 0.5

上側確率

P = 1 − Φ(0.5) = 1 − 0.6915 = 0.3085

答え

P = 0.3085
8.正規分布

答え: x = 67.5 点

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。

左側の面積

Φ(z) = 0.6

表からの z

z ≈ 0.25

元の単位に戻す

x = 65 + 0.25·10 = 67.5 点

答え

x = 67.5 点
9.信頼区間

答え: E = 4.198 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 = 5, t = 2.571

誤差の幅

E = 2.571·4/√6 = 4.198

答え

E = 4.198 mmHg
10.信頼区間

答え: n = 591

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 = (1.96·31/2.5)² = 590.7

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 = 591

答え

n = 591
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 2.995

Hypothesis test: the test statistic = (estimate − value under H₀)/(standard error under H₀). The p-value is the probability, assuming H₀ is true, of a statistic at least as extreme as the one observed: the area in one tail for a one-sided H₁, twice the tail area for a two-sided H₁. Reject H₀ when p ≤ α.

プールした分散

sp² = (4·6.5² + 16·2²)/20 = 11.65
sp = 3.413

標準誤差

SE = 3.413·√(1/5 + 1/17) = 1.736

検定統計量

t = (96.5 − 91.3)/1.736 = 2.995

答え

t = 2.995

df = 20 のとき、両側 5% の臨界値は 2.086 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: z = −2.025

Hypothesis test: the test statistic = (estimate − value under H₀)/(standard error under H₀). The p-value is the probability, assuming H₀ is true, of a statistic at least as extreme as the one observed: the area in one tail for a one-sided H₁, twice the tail area for a two-sided H₁. Reject H₀ when p ≤ α.

標本比率

p̂₁ = 12/80 = 0.15
p̂₂ = 65/250 = 0.26
p̂ = 77/330 = 0.2333

H₀ のもとでの標準誤差

SE = √(0.2333·0.7667·(1/80 + 1/250)) = 0.05433

検定統計量

z = (0.15 − 0.26)/0.05433 = −2.025

答え

z = −2.025

|z| > 1.96 なので、有意水準 5%(両側)で H₀ は棄却されます。

13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9898

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 = 320/5 = 64

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 52
Syy = Σ(y − ȳ)² = 276

相関係数

r = 52/√(10·276) = 0.9898

答え

r = 0.9898
14.線形回帰と相関

答え: x = 2.409

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 = 103/6 = 17.17

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −61.5

回帰直線

b = −61.5/17.5 = −3.514
a = 17.17 − (−3.514)·3.5 = 29.47
ŷ = 29.47 − 3.514·x

x について解く

x = (21 − 29.47)/(−3.514) = 2.409

答え

x = 2.409
15.カイ二乗検定

答え: E = 30

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 = 84·70/196 = 30

答え

E = 30
16.カイ二乗検定

答え: df = 2

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 = 4 − 1 − 1 = 2

答え

df = 2

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