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

横断研究で、20 歳、40 歳、60 歳の人のテクノロジーの使用を同時に比べます。年齢の比較を交絡させうる問題はどれですか?

  1. Aコホート効果
  2. B順序効果
  3. C練習効果
  4. D床効果
2.心理学研究法むずかしい

研究者が 5 つの t 検定を行い、ボンフェローニ補正で全体の第 1 種の過誤率を 0.05 に保ちたいと考えています。各検定ではどの有意水準を使うべきですか?

  1. A0.01
  2. B0.025
  3. C0.05
  4. D0.25
3.記述統計ふつう
202530354045

データの標本標準偏差 s を求めなさい:45, 37, 36, 16, 45, 42, 42。

n = 7
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 5 の正規分布に従います。66.25 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 60σ = 5x = 66.25
P =
5.確率ふつう
P(少なくとも 1 回 6 が出る) = ??1?2?3P(6) = 各回 1/6

公正なさいころを 3 回振ります。少なくとも 1 回 6 が出る確率 P はいくつですか?

n = 3
P =
6.確率むずかしい
n = 12, p = 0.2: P(X = 2) = ?k0123456789101112

あるテストには選択問題が 12 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 0.2 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 = 12p = 0.2k = 2
P =
7.正規分布ふつう
440522P = ?

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。440 から 522 h 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 = 500σ = 40x1 = 440x2 = 522
P =
8.正規分布むずかしい
235240245250255260265g上端 10%

袋の重さ は、平均 250 g、標準偏差 5 g の正規分布に従います。色つきの上位 10% が右側になるように、しきい値をドラッグします。しきい値 x を求めなさい。

μ = 250 gσ = 5 g10%
x = g
9.信頼区間ふつう
n = 15, s = 14L = ?Ux̄ = 101E90%

15 個からなる標本の平均は 101、標準偏差は s = 14 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 90% 信頼区間の下限を求めなさい。

n = 15x̄ = 101s = 1490%t(14) = 1.761
下限 =
10.信頼区間むずかしい
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0399%

不良品の割合について事前には何もわかっていません。 割合の 99% 信頼区間の誤差の幅を 0.03 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 = 0.5E = 0.0399%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −2.0302.03

学生 36 人の標本の平均点は 121.9、標本標準偏差は 4 です。H₀: μ = 120 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 120x̄ = 121.9s = 4n = 36
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 20 人、治療 B の患者 200 人中 76 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 = 20n₁ = 80x₂ = 76n₂ = 200
z =
13.線形回帰と相関ふつう
xy12522031941751467xy2461020

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。 それらの和が与えられています。これらの和からピアソンの相関係数 r を求めなさい。

n = 6Σx = 21Σy = 102Σx² = 91Σy² = 1920Σxy = 302
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy1575178919100211122311525132xy15202580100120ŷ = 93

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 ŷ = a + b·x を用います。 直線が ŷ = 93 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 93
x =
15.カイ二乗検定ふつう
低中高合計都市部23213680農村部373944120合計606080200

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 = 2002 × 3
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい

3 行 5 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。 この検定の自由度 df はいくつですか?

3 × 5
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: A · コホート効果

これが答えになる理由

年齢群ごとに異なる歴史的条件で育っているため、違いは加齢そのものではなく世代(コホート)を反映しているかもしれません。

答え

A · コホート効果
2.心理学研究法

答え: A · 0.01

これが答えになる理由

ボンフェローニ補正は α を比較の数で割ります:0.05 / 5 = 0.01。単純ですが保守的で、第 2 種の過誤のリスクを高めます。

答え

A · 0.01
3.記述統計

答え: s = 10.15

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 = 263/7 = 37.57

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 7.429² + (−0.5714)² + (−1.571)² + (−21.57)² + 7.429² + 4.429² + 4.429² = 617.7

標準偏差

s = √(617.7/6) = 10.15

答え

s = 10.15
4.記述統計

答え: P = 0.8944

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 = 1.25

標準正規分布表

Φ(1.25) = 0.8944
P = 0.8944

答え

P = 0.8944
5.確率

答え: P = 0.4213

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。

余事象

P(6 が出ない) = (5/6)3 = 0.5787
P = 1 − 0.5787 = 0.4213

答え

P = 0.4213
6.確率

答え: P = 0.2835

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) = 66·0.22·0.810 = 66·0.04·0.1074 = 0.2835

答え

P = 0.2835
7.正規分布

答え: P = 0.642

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 = (440 − 500)/40 = −1.5
z₂ = (522 − 500)/40 = 0.55

間の面積

P = Φ(0.55) − Φ(−1.5) = 0.7088 − 0.06681 = 0.642

答え

P = 0.642
8.正規分布

答え: x = 256.4 g

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) = 0.9

表からの z

z ≈ 1.28

元の単位に戻す

x = 250 + 1.28·5 = 256.4 g

答え

x = 256.4 g
9.信頼区間

答え: 下限 = 94.63

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 = 14, t = 1.761

誤差の幅

E = 1.761·14/√15 = 6.366

区間

101 ± 6.366 → [94.63, 107.4]

答え

下限 = 94.63
10.信頼区間

答え: n = 1844

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 = 2.576²·0.5·0.5/0.03² = 1843

切り上げる

n = 1844

答え

n = 1844
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 2.85

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 = 4/√36 = 4/6 = 0.6667

検定統計量

t = (121.9 − 120)/0.6667 = 2.85

答え

t = 2.85
t0.025; df = 35 = 2.03

|t| > 2.03 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 = −2.07

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 = 20/80 = 0.25
p̂₂ = 76/200 = 0.38
p̂ = 96/280 = 0.3429

H₀ のもとでの標準誤差

SE = √(0.3429·0.6571·(1/80 + 1/200)) = 0.06279

検定統計量

z = (0.25 − 0.38)/0.06279 = −2.07

答え

z = −2.07

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

13.線形回帰と相関

答え: r = −0.964

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。

偏差平方和・偏差積和

Sxy = 302 − 21·102/6 = −55
Sxx = 91 − 21²/6 = 17.5
Syy = 1920 − 102²/6 = 186

相関係数

r = −55/√(17.5·186) = −0.964

答え

r = −0.964
14.線形回帰と相関

答え: x = 17.98

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 = 623/6 = 103.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 375

回帰直線

b = 375/70 = 5.357
a = 103.8 − 5.357·20 = −3.31
ŷ = −3.31 + 5.357·x

x について解く

x = (93 − (−3.31))/5.357 = 17.98

答え

x = 17.98
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 1.528

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

都市部: 80·60/200 = 24, 80·60/200 = 24, 80·80/200 = 32
農村部: 120·60/200 = 36, 120·60/200 = 36, 120·80/200 = 48

カイ二乗統計量

χ² = (23 − 24)²/24 + (21 − 24)²/24 + (36 − 32)²/32 + (37 − 36)²/36 + (39 − 36)²/36 + (44 − 48)²/48
χ² = 1.528

答え

χ² = 1.528

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: df = 8

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)·(5 − 1) = 8

答え

df = 8

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