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

フィールド実験では、研究者は何をしますか?

  1. A何も操作せずに観察だけをする
  2. B実験室で独立変数を操作する
  3. C現実世界の場面で独立変数を操作する
  4. D他者が集めたデータを分析する
2.心理学研究法むずかしい

ある研究で、ストレスが病気に及ぼす効果は、強いソーシャルサポートを持つ人では弱いことがわかりました。ソーシャルサポートは何として働いていますか?

  1. A従属変数
  2. B交絡変数
  3. C媒介変数(メディエーター)
  4. D調整変数(モデレーター)
3.記述統計ふつう
15202530354045505560

データの標本標準偏差 s を求めなさい:14, 25, 60, 51, 56。

n = 5
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 12 の正規分布に従います。104.8 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 100σ = 12x = 104.8
z =
5.確率ふつう
赤: 7青: 4

袋に赤玉 7 個と青玉 4 個が入っています。1 個目を戻さずに 2 個取り出します。2 個とも赤である確率 P はいくつですか?

7 / 4
P =
6.確率むずかしい
n = 5, p = 0.4: P(X = 1) = ?k012345

あるテストには選択問題が 5 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 1 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 5p = 0.4k = 1
P =
7.正規分布ふつう
125 kg126.7 kgT = X₁ + … + X₅?

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 5 個の合計質量が 126.7 kg を下回る確率 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 = 5< 126.7 kg
P =
8.正規分布むずかしい
157164171178185192199cm下端 25%

成人男性の身長 は、平均 178 cm、標準偏差 7 cm の正規分布に従います。色つきの下位 25% 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 = 178 cmσ = 7 cm25%
x = cm
9.信頼区間ふつう
μ₁ − μ₂0LUx̄₁ − x̄₂E = ?99%

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 1:40 台、平均 60.5 h、既知の標準偏差 5 h。機種 2:100 台、平均 75 h、既知の標準偏差 6 h。 μ₁ − μ₂ の 99% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n₁ = 40x̄₁ = 60.5 hσ₁ = 5 hn₂ = 100x̄₂ = 75 hσ₂ = 6 h99%
E = h
10.信頼区間むずかしい
n = 10Lσ = ?s = 9.495%

機械加工した 10 本の軸の直径の標本標準偏差は 9.4 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% 信頼区間の上限 σ を求めなさい。df = 9 のとき、χ² 分布の 2.5% は 2.7 より下に、2.5% は 19.023 より上にあります。

n = 10s = 9.4 µmχ² = 2.7, 19.023
σ = µm
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.2282.228t = ?df = 10

11 人の従業員が研修の前後にタイピングテストを受けます。各人について差 d = 後 − 前(1 分あたりの単語数)を記録します。差の平均は −5.07、差の標準偏差は 6 です。H₀: μd = 0 の対応のある検定統計量 t を求めなさい。

n = 11d̄ = −5.07sd = 6
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 28 人、治療 B の患者 80 人中 35 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 = 28n₁ = 80x₂ = 35n₂ = 80
z =
13.線形回帰と相関ふつう
xy12622232041551368xy2461020

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。 最小二乗直線の決定係数 r² を求めなさい。

n = 6
r² =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy125223322419516617xy2462025x = 5.5

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。 x = 5.5 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 6x = 5.5
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
はいいいえ合計男性273360女性332760合計6060120

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 = 1202 × 2
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
dfα = 0.05α = 0.0113.8416.63525.9919.21037.81511.34549.48813.277511.07015.086612.59216.812714.06718.475815.50720.090916.91921.6661018.30723.209

2 行 11 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。 表を使って、有意水準 α = 0.01 での臨界値 χ²crit を求めなさい。

α = 0.01
χ²crit =

3溶液

1.心理学研究法

答え: C · 現実世界の場面で独立変数を操作する

これが答えになる理由

路上で援助場面を仕組むようなフィールド実験は生態学的妥当性を高めますが、剰余変数の統制は弱くなり、同意の問題が生じます。

答え

C · 現実世界の場面で独立変数を操作する
2.心理学研究法

答え: D · 調整変数(モデレーター)

これが答えになる理由

調整変数は 2 つの変数の関係の強さや方向を変えます。媒介変数は、ある変数が別の変数に影響する仕組みを説明します。

答え

D · 調整変数(モデレーター)
3.記述統計

答え: s = 20.44

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 = 206/5 = 41.2

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−27.2)² + (−16.2)² + 18.8² + 9.8² + 14.8² = 1671

標準偏差

s = √(1671/4) = 20.44

答え

s = 20.44
4.記述統計

答え: z = 0.4

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 = (104.8 − 100)/12 = 0.4

答え

z = 0.4
5.確率

答え: P = 0.3818

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。

1 回目と 2 回目

P = 7/11 · 6/10 = 42/110 = 0.3818

答え

P = 0.3818
6.確率

答え: P = 0.2592

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) = 5·0.41·0.64 = 5·0.4·0.1296 = 0.2592

答え

P = 0.2592
7.正規分布

答え: P = 0.9357

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 = 125 kg, σT = 0.5·√5 = 1.118 kg

標準化する

z = (126.7 − 125)/1.118 = 1.52

確率

P = Φ(1.52) = 0.9357

答え

P = 0.9357
8.正規分布

答え: x = 173.3 cm

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) = 0.25

表からの z

z ≈ −0.67

元の単位に戻す

x = 178 − 0.67·7 = 173.3 cm

答え

x = 173.3 cm
9.信頼区間

答え: E = 2.557 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 = 60.5 − 75 = −14.5

標準誤差

SE = √(5²/40 + 6²/100) = 0.9925

誤差の幅

E = 2.576·0.9925 = 2.557

答え

E = 2.557 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: σ = 17.16 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 = 9·9.4² = 795.2

σ² の限界

795.2/19.023 = 41.8
795.2/2.7 = 294.5

σ の限界

σ = √294.5 = 17.16 µm

答え

σ = 17.16 µm

σ の 95% 区間:[6.466, 17.16] µm。

11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −2.803

Testing a mean: the test statistic measures how many standard errors the sample mean lies from the value claimed in H₀: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) when σ is known, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) when it is estimated from the sample. A confidence interval is x̄ ± (critical value)·(standard error).

差の平均の標準誤差

SE = 6/√11 = 1.809

検定統計量

t = −5.07/1.809 = −2.803

答え

t = −2.803

df = 10 のとき、両側 5% の臨界値は 2.228 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 = −1.133

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 = 28/80 = 0.35
p̂₂ = 35/80 = 0.4375
p̂ = 63/160 = 0.3937

H₀ のもとでの標準誤差

SE = √(0.3937·0.6062·(1/80 + 1/80)) = 0.07725

検定統計量

z = (0.35 − 0.4375)/0.07725 = −1.133

答え

z = −1.133

|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 = 0.9874

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 = 104/6 = 17.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −61
Syy = Σ(y − ȳ)² = 215.3

決定係数

r² = −61²/(17.5·215.3) = 0.9874

答え

r² = 0.9874

y の変動の約 98.74% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 16.68

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 = 122/6 = 20.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −32

回帰直線

b = −32/17.5 = −1.829
a = 20.33 − (−1.829)·3.5 = 26.73
ŷ = 26.73 − 1.829·x

予測

ŷ = 26.73 + (−1.829)·5.5 = 16.68

答え

ŷ = 16.68
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 1.2

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。

期待度数

男性: 60·60/120 = 30, 60·60/120 = 30
女性: 60·60/120 = 30, 60·60/120 = 30

カイ二乗統計量

χ² = (27 − 30)²/30 + (33 − 30)²/30 + (33 − 30)²/30 + (27 − 30)²/30
χ² = 1.2

答え

χ² = 1.2

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

16.カイ二乗検定

答え: χ²crit = 23.21

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 = (2 − 1)·(11 − 1) = 10

表

χ²crit(df = 10, α = 0.01) = 23.209

答え

χ²crit = 23.209

計算した χ² がこの値より大きければ H₀ を棄却します。

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