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

反復測定デザインで順序効果を統制するには何を用いますか?

  1. A標本を大きくするだけ
  2. B単盲検法
  3. C無作為抽出
  4. Dカウンターバランス
2.心理学研究法むずかしい

2 人の観察者が校庭での攻撃的な行為を記録し、その回数の相関は r = 0.45 でした。研究者はどうすべきですか?

  1. A行動カテゴリーを改善し、観察者を訓練してから、一致度を再確認する
  2. B2 つの回数のうち高いほうだけを使う
  3. C片側仮説に切り替える
  4. D正の相関なら何でも十分なので、データを受け入れる
3.記述統計ふつう
2025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:48, 18, 54, 29, 57, 19, 39。

n = 7
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 15 の正規分布に従います。147.5 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 170σ = 15x = 147.5
P =
5.確率ふつう
xp(x)00.3510.320.35μ = 1

示された分布について、X の分散 Var(X) を求めなさい。

x: 0, 1, 2p(x): 0.35, 0.3, 0.35
Var(X) =
6.確率むずかしい
n = 11, p = 0.1: P(X = 2) = ?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 0.1 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 = 11p = 0.1k = 2
P =
7.正規分布ふつう
105 s101.8 sX + Y?

X は平均 60 s、標準偏差 5 s の正規分布に従い、Y は X と独立で、平均 45 s、標準偏差 4 s の正規分布に従います。X + Y が 101.8 s 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 = 60, σX = 5μY = 45, σY = 4X + Y > 101.8 s
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 500x = ?10%

電池の寿命は、平均 500 h、標準偏差 40 h の正規分布に従います。全体の 10% がそれより下にある値 x(第 10 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 500σ = 40P = 10%
x = h
9.信頼区間ふつう
n = 21, s = 8LU = ?x̄ = 15.5E99%

21 個からなる標本の平均は 15.5、標準偏差は s = 8 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 99% 信頼区間の上限を求めなさい。

n = 21x̄ = 15.5s = 899%t(20) = 2.845
上限 =
10.信頼区間むずかしい
σ = 39, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2.599%

母標準偏差は 39 です。平均の 99% 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 = 39E = 2.599%
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 1:60 個の部品の標本の平均長さは 67 mm で、ラインの既知の標準偏差は 14 mm です。ライン 2:40 個の部品の標本の平均は 65.4 mm、既知の標準偏差は 12 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 = 60x̄₁ = 67 mmσ₁ = 14 mmn₂ = 40x̄₂ = 65.4 mmσ₂ = 12 mm
z =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.64501.645

36 回の測定の標本平均は 99.7 です。母標準偏差は 4 です。平均の 90% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 99.7σ = 4n = 3690%
L =
13.線形回帰と相関ふつう
xy1568176919882188239925106xy15202580100

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。 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
xy348451556666772873xy468506070x = 3.5

表は x = 勉強時間 と y = 試験の得点 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 = 3.5 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 6x = 3.5
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
バス自転車車合計学生362244102職員11272260合計474966162

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「職員、車」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 60列の合計 = 66N = 162
E =
16.カイ二乗検定むずかしい

カイ二乗適合度検定で、3 個のカテゴリーの観測度数を、完全に指定された期待割合と比べます(データから推定するパラメータはありません)。 この検定の自由度 df はいくつですか?

k = 3
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: D · カウンターバランス

これが答えになる理由

カウンターバランスにより、練習効果や疲労効果が条件間に均等に配分されます。

答え

D · カウンターバランス
2.心理学研究法

答え: A · 行動カテゴリーを改善し、観察者を訓練してから、一致度を再確認する

これが答えになる理由

観察者間信頼性が低いことは、カテゴリーが一貫して適用されていないことを意味します。本データ収集の前に、より明確な操作的定義と練習セッションで一致度を高めるべきです。

答え

A · 行動カテゴリーを改善し、観察者を訓練してから、一致度を再確認する
3.記述統計

答え: s = 16.12

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 = 264/7 = 37.71

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 10.29² + (−19.71)² + 16.29² + (−8.714)² + 19.29² + (−18.71)² + 1.286² = 1559

標準偏差

s = √(1559/6) = 16.12

答え

s = 16.12
4.記述統計

答え: P = 0.06681

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) = 0.06681
P = 0.06681

答え

P = 0.06681
5.確率

答え: Var(X) = 0.7

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 = 0·0.35 + 1·0.3 + 2·0.35 = 1

2 乗の平均

E(X²) = 0·0.35 + 1·0.3 + 4·0.35 = 1.7

分散

Var(X) = 1.7 − 1² = 0.7

答え

Var(X) = 0.7
6.確率

答え: P = 0.2131

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) = 55·0.12·0.99 = 55·0.01·0.3874 = 0.2131

答え

P = 0.2131
7.正規分布

答え: P = 0.6915

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 = 105 s, σ = √(5² + 4²) = 6.403 s

標準化する

z = (101.8 − 105)/6.403 = −0.5

上側確率

P = 1 − Φ(−0.5) = 1 − 0.3085 = 0.6915

答え

P = 0.6915
8.正規分布

答え: x = 448.7 h

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) = 0.1 → z = −1.282

x に戻す

x = 500 + −1.282·40 = 448.74 h

答え

x = 448.74 h
9.信頼区間

答え: 上限 = 20.47

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 = 20, t = 2.845

誤差の幅

E = 2.845·8/√21 = 4.967

区間

15.5 ± 4.967 → [10.53, 20.47]

答え

上限 = 20.47
10.信頼区間

答え: n = 1615

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 = (2.576·39/2.5)² = 1615

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 = 1615

答え

n = 1615
11.仮説検定と信頼区間

答え: z = 0.6106

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 = √(14²/60 + 12²/40) = √6.867 = 2.62

検定統計量

z = (67 − 65.4)/2.62 = 0.6106

答え

z = 0.6106

|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: L = 98.6

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。

誤差の幅

E = 1.645·4/√36 = 1.097

区間の端

L = 99.7 − 1.097 = 98.6

答え

L = 98.6
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9417

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 = 120/6 = 20
ȳ = 518/6 = 86.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 280
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1189

決定係数

r² = 280²/(70·1189) = 0.9417

答え

r² = 0.9417

y の変動の約 94.17% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 49.69

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 = 33/6 = 5.5
ȳ = 366/6 = 61

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 99

回帰直線

b = 99/17.5 = 5.657
a = 61 − 5.657·5.5 = 29.89
ŷ = 29.89 + 5.657·x

予測

ŷ = 29.89 + 5.657·3.5 = 49.69

答え

ŷ = 49.69
15.カイ二乗検定

答え: E = 24.44

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 = 60·66/162 = 24.44

答え

E = 24.44
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 = 3 − 1 = 2

答え

df = 2

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