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. A2.0
  2. B3.0
  3. C1.5
  4. D0.5
2.心理学研究法むずかしい

順序尺度での事前・事後得点のように、対応のある 2 つの標本を比較するノンパラメトリック検定はどれですか?

  1. Aマン・ホイットニーの U 検定
  2. B独立した 2 群の t 検定
  3. Cカイ二乗の独立性の検定
  4. Dウィルコクソンの符号付順位検定
3.記述統計ふつう
152025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:25, 46, 30, 28, 12, 57。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 70、標準偏差 10 の正規分布に従います。60 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 70σ = 10x = 60
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 の標準偏差 σ を求めなさい。

x: 0, 1, 2p(x): 0.35, 0.3, 0.35
σ =
6.確率むずかしい
n = 9, p = 0.6: P(X = 2) = ?k0123456789

あるテストには選択問題が 9 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 0.6 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 = 9p = 0.6k = 2
P =
7.正規分布ふつう
85.75130.75P = ?

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。85.75 から 130.75 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 = 85.75x2 = 130.75
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 = 25, s = 14L = ?Ux̄ = 92.5E90%

25 個からなる標本の平均は 92.5、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 = 25x̄ = 92.5s = 1490%t(24) = 1.711
下限 =
10.信頼区間むずかしい
σ = 14, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 490%

母標準偏差は 14 です。平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 4 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 = 14E = 490%
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 1:40 個の部品の標本の平均長さは 109.5 mm で、ラインの既知の標準偏差は 12 mm です。ライン 2:80 個の部品の標本の平均は 103.8 mm、既知の標準偏差は 8 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 = 40x̄₁ = 109.5 mmσ₁ = 12 mmn₂ = 80x̄₂ = 103.8 mmσ₂ = 8 mm
z =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.64501.645

25 回の測定の標本平均は 499.4 です。母標準偏差は 10 です。平均の 90% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 499.4σ = 10n = 2590%
L =
13.線形回帰と相関ふつう
xy125222320418514611xy24610152025

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。 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
xy122220320414516613xy2461520x = 1.5

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 = 1.5 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 6x = 1.5
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤26193378夜勤39262792合計654560170

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「日勤、欠陥なし」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 78列の合計 = 65N = 170
E =
16.カイ二乗検定むずかしい
はいいいえ合計工場 A241640工場 B4456100工場 C7624100合計14496240dfα = 0.05α = 0.0113.8416.63525.9919.21037.81511.34549.48813.277511.07015.086612.59216.812714.06718.475815.50720.090916.91921.6661018.30723.209

表は観測度数を示しています。2 つの変数が独立かどうかを α = 0.05 で検定しなさい(連続性の補正なし)。検定統計量 χ² を計算し、表の臨界値と比べなさい。

N = 2403 × 2α = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: A · 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

A · 2.0
2.心理学研究法

答え: D · ウィルコクソンの符号付順位検定

これが答えになる理由

ウィルコクソンの符号付順位検定は対応のある順序データに用い、マン・ホイットニーの U 検定は独立した群に対する同等の検定です。

答え

D · ウィルコクソンの符号付順位検定
3.記述統計

答え: s = 16.02

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 = 198/6 = 33

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−8)² + 13² + (−3)² + (−5)² + (−21)² + 24² = 1284

標準偏差

s = √(1284/5) = 16.02

答え

s = 16.02
4.記述統計

答え: P = 0.1587

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

標準正規分布表

Φ(−1) = 0.1587
P = 0.1587

答え

P = 0.1587
5.確率

答え: σ = 0.8367

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
σ = √0.7 = 0.8367

答え

σ = 0.8367
6.確率

答え: P = 0.02123

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) = 36·0.62·0.47 = 36·0.36·0.001638 = 0.02123

答え

P = 0.02123
7.正規分布

答え: P = 0.8088

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 = (85.75 − 100)/15 = −0.95
z₂ = (130.75 − 100)/15 = 2.05

間の面積

P = Φ(2.05) − Φ(−0.95) = 0.9798 − 0.1711 = 0.8088

答え

P = 0.8088
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: 下限 = 87.71

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 = 24, t = 1.711

誤差の幅

E = 1.711·14/√25 = 4.791

区間

92.5 ± 4.791 → [87.71, 97.29]

答え

下限 = 87.71
10.信頼区間

答え: n = 34

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 = (1.645·14/4)² = 33.15

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 = 34

答え

n = 34
11.仮説検定と信頼区間

答え: z = 2.717

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 = √(12²/40 + 8²/80) = √4.4 = 2.098

検定統計量

z = (109.5 − 103.8)/2.098 = 2.717

答え

z = 2.717

|z| > 1.96 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: L = 496.1

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 = 1.645·10/√25 = 3.29

区間の端

L = 499.4 − 3.29 = 496.1

答え

L = 496.1
13.線形回帰と相関

答え: r = −0.9937

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 = 110/6 = 18.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −48
Syy = Σ(y − ȳ)² = 133.3

相関係数

r = −48/√(17.5·133.3) = −0.9937

答え

r = −0.9937
14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 21.1

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 = 105/6 = 17.5

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −31.5

回帰直線

b = −31.5/17.5 = −1.8
a = 17.5 − (−1.8)·3.5 = 23.8
ŷ = 23.8 − 1.8·x

予測

ŷ = 23.8 + (−1.8)·1.5 = 21.1

答え

ŷ = 21.1
15.カイ二乗検定

答え: E = 29.82

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 = 78·65/170 = 29.82

答え

E = 29.82
16.カイ二乗検定

答え: χ² = 21.33

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

工場 A: 24, 16
工場 B: 60, 40
工場 C: 60, 40

カイ二乗統計量

χ² = (24 − 24)²/24 + (16 − 16)²/16 + (44 − 60)²/60 + (56 − 40)²/40 + (76 − 60)²/60 + (24 − 40)²/40
χ² = 21.33

判断

df = 2, χ²crit = 5.991
21.33 > 5.991

答え

χ² = 21.33

χ² は臨界値より大きいので、H₀ は棄却されます:変数の間には関連があるようです。

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