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

新しいうつ病の質問紙が、翌年にどの学生が治療を求めるかを予測します。これはどの種類の妥当性を支持しますか?

  1. A表面的妥当性
  2. B併存的妥当性
  3. C内容的妥当性
  4. D予測的妥当性
2.心理学研究法むずかしい

参加者 10 人の研究で、効果は大きいものの有意ではありませんでした。最も適切な結論はどれですか?

  1. A効果が有意でなかったので、研究は帰無仮説が正しいことを証明している
  2. Bその効果は第 1 種の過誤に違いない
  3. C効果量の計算が誤っているに違いない
  4. D検定力が不足していた可能性があり、結果は決定的ではない
3.記述統計ふつう
25303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:25, 59, 26, 40, 54, 21。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 60、標準偏差 8 の正規分布に従います。76 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 60σ = 8x = 76
P =
5.確率ふつう
xp(x)10.0520.330.340.35μ = 2.95

示された分布について、X の分散 Var(X) を求めなさい。

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0.05, 0.3, 0.3, 0.35
Var(X) =
6.確率むずかしい
n = 12, p = 0.5: P(X ≤ 1) = ?k0123456789101112

部品を 12 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 = 12p = 0.5
P =
7.正規分布ふつう
172.4181.85P = ?

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。172.4 から 181.85 cm 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 = 178σ = 7x1 = 172.4x2 = 181.85
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 178x = ?20%

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。全体の 20% がそれより下にある値 x(第 20 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 178σ = 7P = 20%
x = cm
9.信頼区間ふつう
μ₁ − μ₂0LUx̄₁ − x̄₂E = ?95%

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 85.5 h、既知の標準偏差 15 h。機種 2:40 台、平均 97.5 h、既知の標準偏差 7 h。 μ₁ − μ₂ の 95% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n₁ = 50x̄₁ = 85.5 hσ₁ = 15 hn₂ = 40x̄₂ = 97.5 hσ₂ = 7 h95%
E = h
10.信頼区間むずかしい
p ≈ 0.2, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0190%

予備調査によると、製品の約 0.2 が不良品です。 割合の 90% 信頼区間の誤差の幅を 0.01 以下にするには、製品をいくつ n 検査する必要がありますか?

p ≈ 0.2E = 0.0190%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.2282.228t = ?df = 10

2 つの指導法を比べます。グループ 1:5 人の学生、平均点 37、標準偏差 12。グループ 2:7 人の学生、平均点 30、標準偏差 5。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 = 37s₁ = 12n₂ = 7x̄₂ = 30s₂ = 5
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 12, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 190%

平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 1 以下にするには、標本はどれだけ大きくなければなりませんか?標準偏差は 12 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 12E = 190%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy125233339443546644xy2463040

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
xy12322131641151066xy2461020ŷ = 14

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 = 14 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 14
x =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤28391279夜勤41171876合計695630155

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、欠陥なし」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 76列の合計 = 69N = 155
E =
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

カイ二乗適合度検定で、9 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。 表を使って、有意水準 α = 0.05 での臨界値 χ²crit を求めなさい。

α = 0.05
χ²crit =

3溶液

1.心理学研究法

答え: D · 予測的妥当性

これが答えになる理由

予測的妥当性は、得点が後の基準を予測するときに示されます。併存的妥当性は同時に測定された基準を使います。

答え

D · 予測的妥当性
2.心理学研究法

答え: D · 検定力が不足していた可能性があり、結果は決定的ではない

これが答えになる理由

標本が小さいと、本当の効果でも有意にならないことがよくあります(第 2 種の過誤)。研究者は効果量と信頼区間を報告し、より大きな標本で追試すべきです。

答え

D · 検定力が不足していた可能性があり、結果は決定的ではない
3.記述統計

答え: s = 16.13

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 = 225/6 = 37.5

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−12.5)² + 21.5² + (−11.5)² + 2.5² + 16.5² + (−16.5)² = 1302

標準偏差

s = √(1302/5) = 16.13

答え

s = 16.13
4.記述統計

答え: P = 0.02275

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 = 2

標準正規分布表

Φ(2) = 0.9772
P = 1 − 0.9772 = 0.02275

答え

P = 0.02275
5.確率

答え: Var(X) = 0.8475

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 = 1·0.05 + 2·0.3 + 3·0.3 + 4·0.35 = 2.95

2 乗の平均

E(X²) = 1·0.05 + 4·0.3 + 9·0.3 + 16·0.35 = 9.55

分散

Var(X) = 9.55 − 2.95² = 0.8475

答え

Var(X) = 0.8475
6.確率

答え: P = 0.003174

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) = 0.512 = 0.0002441
P(X = 1) = 12·0.5·0.511 = 0.00293

足し合わせる

P = 0.0002441 + 0.00293 = 0.003174

答え

P = 0.003174
7.正規分布

答え: P = 0.497

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 = (172.4 − 178)/7 = −0.8
z₂ = (181.85 − 178)/7 = 0.55

間の面積

P = Φ(0.55) − Φ(−0.8) = 0.7088 − 0.2119 = 0.497

答え

P = 0.497
8.正規分布

答え: x = 172.1 cm

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) = 0.2 → z = −0.8416

x に戻す

x = 178 + −0.8416·7 = 172.11 cm

答え

x = 172.11 cm
9.信頼区間

答え: E = 4.69 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 = 85.5 − 97.5 = −12

標準誤差

SE = √(15²/50 + 7²/40) = 2.393

誤差の幅

E = 1.96·2.393 = 4.69

答え

E = 4.69 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: n = 4330

Confidence interval for a proportion: p̂ ± z·√(p̂(1 − p̂)/n), where p̂ = x/n. To reach a margin E you need n ≥ z²·p(1 − p)/E², rounded up; without a prior estimate use p = 0.5, which gives the largest n.

n について解く

n = 1.645²·0.2·0.8/0.01² = 4330

切り上げる

n = 4330

答え

n = 4330
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 1.403

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 = (4·12² + 6·5²)/10 = 72.6
sp = 8.521

標準誤差

SE = 8.521·√(1/5 + 1/7) = 4.989

検定統計量

t = (37 − 30)/4.989 = 1.403

答え

t = 1.403

df = 10 のとき、両側 5% の臨界値は 2.228 です。|t| の方が小さいので、H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: n = 390

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。

n について解く

n = (1.645·12/1)² = 389.7

切り上げる

n = 390

答え

n = 390
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.852

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 = 230/6 = 38.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 69
Syy = Σ(y − ȳ)² = 319.3

決定係数

r² = 69²/(17.5·319.3) = 0.852

答え

r² = 0.852

y の変動の約 85.2% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: x = 3.642

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 = 87/6 = 14.5

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 = 14.5 − (−3.514)·3.5 = 26.8
ŷ = 26.8 − 3.514·x

x について解く

x = (14 − 26.8)/(−3.514) = 3.642

答え

x = 3.642
15.カイ二乗検定

答え: E = 33.83

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 = 76·69/155 = 33.83

答え

E = 33.83
16.カイ二乗検定

答え: χ²crit = 14.07

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 = 9 − 1 − 1 = 7

表

χ²crit(df = 7, α = 0.05) = 14.067

答え

χ²crit = 14.067

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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