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

平均 100、標準偏差 15 のテストで、ある学生の得点は 130 です。z 得点はいくつですか?

  1. A1.5
  2. B0.5
  3. C2.0
  4. D3.0
2.心理学研究法むずかしい

研究者は、新しい不安尺度がうつとは異なるものを測っていることを示したいと考えています。うつ尺度との相関が低ければ、何が支持されますか?

  1. A弁別的妥当性
  2. B予測的妥当性
  3. C収束的妥当性
  4. D表面的妥当性
3.記述統計ふつう
20253035404550

データの標本標準偏差 s を求めなさい:34, 18, 40, 50, 44, 27。

n = 6
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 15 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 = 15x = 106
z =
5.確率ふつう
赤: 3青: 8

袋に赤玉 3 個と青玉 8 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?

3 / 8
P =
6.確率むずかしい
n = 11, p = 0.7: P(X = 4) = ?k01234567891011

あるテストには選択問題が 11 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 0.7 で正解します。ちょうど 4 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 11p = 0.7k = 4
P =
7.正規分布ふつう
95.5115P = ?

IQ スコアは、平均 100 点、標準偏差 15 点 の正規分布に従います。95.5 から 115 点 の間にある割合はいくらですか?P を小数で答えなさい。

μ = 100σ = 15x1 = 95.5x2 = 115
P =
8.正規分布むずかしい
557085100115130145点下端 15%

IQ スコア は、平均 100 点、標準偏差 15 点 の正規分布に従います。色つきの下位 15% 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 = 100 点σ = 15 点15%
x = 点
9.信頼区間ふつう
n = 10, s = 8.5LUx̄ = 109E = ?99%

10 個からなる標本の平均は 109、標準偏差は s = 8.5 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 99% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 10x̄ = 109s = 8.599%t(9) = 3.25
E =
10.信頼区間むずかしい
σ = 29, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 195%

母標準偏差は 29 です。平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 1 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 = 29E = 195%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−1.961.96z = ?

2 つの生産ラインで同じ部品をつくっています。ライン 1:100 個の部品の標本の平均長さは 76 mm で、ラインの既知の標準偏差は 5 mm です。ライン 2:60 個の部品の標本の平均は 74.9 mm、既知の標準偏差は 5 mm です。差を x̄₁ − x̄₂(ライン 1 − ライン 2)として、H₀: μ₁ = μ₂ の検定統計量 z を求めなさい。

n₁ = 100x̄₁ = 76 mmσ₁ = 5 mmn₂ = 60x̄₂ = 74.9 mmσ₂ = 5 mm
z =
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 150 人中 23 人、治療 B の患者 300 人中 54 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 = 23n₁ = 150x₂ = 54n₂ = 300
z =
13.線形回帰と相関ふつう
xy174220542360267229873294xy202530406080100

表は x = 気温 (°C) と y = アイスクリームの販売数 の 6 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 = 6
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy14771797201042311626135xy15202580100120140ŷ = 113

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。 最小二乗直線 ŷ = a + b·x を用います。 直線が ŷ = 113 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 5ŷ = 113
x =
15.カイ二乗検定ふつう
バス自転車車合計学生25112460職員45241180合計703535140

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 = 1402 × 3
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい

カイ二乗適合度検定で、8 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 = 8
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: C · 2.0

これが答えになる理由

(130 − 100) / 15 = 2。この得点は平均より 2 標準偏差高く、約 97〜98% の人より高いです。

答え

C · 2.0
2.心理学研究法

答え: A · 弁別的妥当性

これが答えになる理由

弁別的(発散的)妥当性は、測定が異なる構成概念の測定と弱く相関するときに示されます。収束的妥当性は、同じ構成概念の測定と高く相関することです。

答え

A · 弁別的妥当性
3.記述統計

答え: s = 11.69

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 = 213/6 = 35.5

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−1.5)² + (−17.5)² + 4.5² + 14.5² + 8.5² + (−8.5)² = 683.5

標準偏差

s = √(683.5/5) = 11.69

答え

s = 11.69
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 = (106 − 100)/15 = 0.4

答え

z = 0.4
5.確率

答え: P = 0.05455

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 = 3/11 · 2/10 = 6/110 = 0.05455

答え

P = 0.05455
6.確率

答え: P = 0.01733

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 = 4) = 330·0.74·0.37 = 330·0.2401·0.0002187 = 0.01733

答え

P = 0.01733
7.正規分布

答え: P = 0.4593

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。

z スコア

z₁ = (95.5 − 100)/15 = −0.3
z₂ = (115 − 100)/15 = 1

間の面積

P = Φ(1) − Φ(−0.3) = 0.8413 − 0.3821 = 0.4593

答え

P = 0.4593
8.正規分布

答え: x = 84.4 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) = 0.15

表からの z

z ≈ −1.04

元の単位に戻す

x = 100 − 1.04·15 = 84.4 点

答え

x = 84.4 点
9.信頼区間

答え: E = 8.736

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。

臨界値

df = n − 1 = 9, t = 3.25

誤差の幅

E = 3.25·8.5/√10 = 8.736

答え

E = 8.736
10.信頼区間

答え: n = 3231

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 = (1.96·29/1)² = 3231

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 = 3231

答え

n = 3231
11.仮説検定と信頼区間

答え: z = 1.347

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.

差の標準誤差

SE = √(5²/100 + 5²/60) = √0.6667 = 0.8165

検定統計量

z = (76 − 74.9)/0.8165 = 1.347

答え

z = 1.347

|z| < 1.96 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: z = −0.7081

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 = 23/150 = 0.1533
p̂₂ = 54/300 = 0.18
p̂ = 77/450 = 0.1711

H₀ のもとでの標準誤差

SE = √(0.1711·0.8289·(1/150 + 1/300)) = 0.03766

検定統計量

z = (0.1533 − 0.18)/0.03766 = −0.7081

答え

z = −0.7081

|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: r = 0.9943

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 = 147/6 = 24.5
ȳ = 409/6 = 68.17

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 556.5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1989

相関係数

r = 556.5/√(157.5·1989) = 0.9943

答え

r = 0.9943
14.線形回帰と相関

答え: x = 21.6

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 = 100/5 = 20
ȳ = 529/5 = 105.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 90
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 405

回帰直線

b = 405/90 = 4.5
a = 105.8 − 4.5·20 = 15.8
ŷ = 15.8 + 4.5·x

x について解く

x = (113 − 15.8)/4.5 = 21.6

答え

x = 21.6
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 12.78

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

学生: 60·70/140 = 30, 60·35/140 = 15, 60·35/140 = 15
職員: 80·70/140 = 40, 80·35/140 = 20, 80·35/140 = 20

カイ二乗統計量

χ² = (25 − 30)²/30 + (11 − 15)²/15 + (24 − 15)²/15 + (45 − 40)²/40 + (24 − 20)²/20 + (11 − 20)²/20
χ² = 12.78

答え

χ² = 12.78

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

16.カイ二乗検定

答え: df = 6

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 = 8 − 1 − 1 = 6

答え

df = 6

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