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データを見た後で仮説を変えられるようにするため
  2. B参加者が何が記録されているかを正確に知るため
  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観察を実験にするため
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年齢の主効果だけ
  2. B第 1 種の過誤
  3. C床効果
  4. D薬と年齢の交互作用
3.記述統計ふつう
253035404550

データの標本標準偏差 s を求めなさい:48, 40, 48, 51, 22, 35。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 170、標準偏差 5 の正規分布に従います。177.5 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 170σ = 5x = 177.5
P =
5.確率ふつう
xp(x)00.1510.120.3530.0540.35μ = 2.35

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): 0.15, 0.1, 0.35, 0.05, 0.35
σ =
6.確率むずかしい
n = 10, p = 0.5: P(X ≤ 1) = ?k012345678910

部品を 10 個試験し、各部品は独立に確率 0.5 で故障します。故障が多くとも 1 個である確率 P はいくつですか?

n = 10p = 0.5
P =
7.正規分布ふつう
750 g762.3 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 762.3 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 > 762.3 g
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 32x = ?80%

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 80% がそれより下にある値 x(第 80 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 32σ = 6P = 80%
x = min
9.信頼区間ふつう
μ₁ − μ₂0LU = ?x̄₁ − x̄₂E95%

2 つの機種のスマートフォンの電池持続時間を比べます。機種 1:50 台、平均 54.5 h、既知の標準偏差 17 h。機種 2:60 台、平均 64.5 h、既知の標準偏差 5 h。 μ₁ − μ₂ の 95% 信頼区間の上限を求めなさい。

n₁ = 50x̄₁ = 54.5 hσ₁ = 17 hn₂ = 60x̄₂ = 64.5 hσ₂ = 5 h95%
上限 = h
10.信頼区間むずかしい
μ₁ − μ₂, t(14) = 2.9770L = ?Ux̄₁ − x̄₂E99%

2 種類の肥料を試験します。区画群 1:11 区画、平均収量 73.5 kg、標準偏差 9 kg。区画群 2:5 区画、平均 76.5 kg、標準偏差 4 kg。等分散を仮定します(プールした t、df = n₁ + n₂ − 2)。 μ₁ − μ₂ の 99% 信頼区間の下限を求めなさい。

n₁ = 11x̄₁ = 73.5s₁ = 9n₂ = 5x̄₂ = 76.5s₂ = 499%t(14) = 2.977
下限 = kg
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −1.9901.99

学生 81 人の標本の平均点は 203.9、標本標準偏差は 12 です。H₀: μ = 200 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 200x̄ = 203.9s = 12n = 81
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 100 人中 70 人、治療 B の患者 250 人中 160 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 = 70n₁ = 100x₂ = 160n₂ = 250
z =
13.線形回帰と相関ふつう
xy126223322418515xy24152025

表は x = 車の年数(年) と y = 価格(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
xy1303415437529541168xy5104060ŷ = 41

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。 最小二乗直線 ŷ = a + b·x を用います。 直線が ŷ = 41 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 41
x =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤195942120夜勤294942120合計4810884240

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 = 2402 × 3
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
はいいいえ合計工場 A202040工場 B4456100工場 C245680合計88132220dfα = 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 = 0.01 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 = 2203 × 2α = 0.01
χ² =

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: 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 = 10.91

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 = 244/6 = 40.67

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 7.333² + (−0.6667)² + 7.333² + 10.33² + (−18.67)² + (−5.667)² = 595.3

標準偏差

s = √(595.3/5) = 10.91

答え

s = 10.91
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) = 0.9332
P = 0.9332

答え

P = 0.9332
5.確率

答え: σ = 1.424

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 = 0·0.15 + 1·0.1 + 2·0.35 + 3·0.05 + 4·0.35 = 2.35

2 乗の平均

E(X²) = 0·0.15 + 1·0.1 + 4·0.35 + 9·0.05 + 16·0.35 = 7.55

分散

Var(X) = 7.55 − 2.35² = 2.028
σ = √2.028 = 1.424

答え

σ = 1.424
6.確率

答え: P = 0.01074

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。

故障 0 個と 1 個

P(X = 0) = 0.510 = 0.0009766
P(X = 1) = 10·0.5·0.59 = 0.009766

足し合わせる

P = 0.0009766 + 0.009766 = 0.01074

答え

P = 0.01074
7.正規分布

答え: P = 0.1056

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 = (762.3 − 750)/9.849 = 1.25

上側確率

P = 1 − Φ(1.25) = 1 − 0.8944 = 0.1056

答え

P = 0.1056
8.正規分布

答え: x = 37.05 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) = 0.8 → z = 0.8416

x に戻す

x = 32 + 0.8416·6 = 37.05 min

答え

x = 37.05 min
9.信頼区間

答え: 上限 = −5.121 h

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.

点推定値

x̄₁ − x̄₂ = 54.5 − 64.5 = −10

標準誤差

SE = √(17²/50 + 5²/60) = 2.489

誤差の幅

E = 1.96·2.489 = 4.879

区間

−10 ± 4.879 → [−14.88, −5.121]

答え

上限 = −5.121 h

区間は 0 を含まないので、平均には有意な差があります。

10.信頼区間

答え: 下限 = −15.69 kg

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.

プールした標準偏差

sp² = (10·9² + 4·4²)/14 = 62.43
sp = 7.901

誤差の幅

E = 2.977·7.901·√(1/11 + 1/5) = 12.69

区間

−3 ± 12.69 → [−15.69, 9.687]

答え

下限 = −15.69 kg
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 2.925

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 = 12/√81 = 12/9 = 1.333

検定統計量

t = (203.9 − 200)/1.333 = 2.925

答え

t = 2.925
t0.025; df = 80 = 1.99

|t| > 1.99 なので、有意水準 5%(両側)で H₀ は棄却されます。

12.仮説検定と信頼区間

答え: z = 1.068

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 = 70/100 = 0.7
p̂₂ = 160/250 = 0.64
p̂ = 230/350 = 0.6571

H₀ のもとでの標準誤差

SE = √(0.6571·0.3429·(1/100 + 1/250)) = 0.05616

検定統計量

z = (0.7 − 0.64)/0.05616 = 1.068

答え

z = 1.068

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

13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9746

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 = 104/5 = 20.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −27
Syy = Σ(y − ȳ)² = 74.8

決定係数

r² = −27²/(10·74.8) = 0.9746

答え

r² = 0.9746

y の変動の約 97.46% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: x = 3.941

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 = 36/6 = 6
ȳ = 288/6 = 48

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 238

回帰直線

b = 238/70 = 3.4
a = 48 − 3.4·6 = 27.6
ŷ = 27.6 + 3.4·x

x について解く

x = (41 − 27.6)/3.4 = 3.941

答え

x = 3.941
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 3.009

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

日勤: 120·48/240 = 24, 120·108/240 = 54, 120·84/240 = 42
夜勤: 120·48/240 = 24, 120·108/240 = 54, 120·84/240 = 42

カイ二乗統計量

χ² = (19 − 24)²/24 + (59 − 54)²/54 + (42 − 42)²/42 + (29 − 24)²/24 + (49 − 54)²/54 + (42 − 42)²/42
χ² = 3.009

答え

χ² = 3.009

df = 2。α = 0.05 での臨界値は 5.991 なので、H₀(独立)は棄却されない。

16.カイ二乗検定

答え: χ² = 5.667

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: 16, 24
工場 B: 40, 60
工場 C: 32, 48

カイ二乗統計量

χ² = (20 − 16)²/16 + (20 − 24)²/24 + (44 − 40)²/40 + (56 − 60)²/60 + (24 − 32)²/32 + (56 − 48)²/48
χ² = 5.667

判断

df = 2, χ²crit = 9.210
5.667 < 9.210

答え

χ² = 5.667

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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