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

内的妥当性とは何を指しますか?

  1. A知見が、研究を超えて他の母集団、場面、時期に一般化できるかどうか
  2. B参加者が研究を面白いと感じたかどうか
  3. Cテストが時間を通じて同じ結果を示すかどうか
  4. D観察された効果が、ほかの要因ではなく本当に独立変数によって引き起こされたかどうか
2.心理学研究法むずかしい

データを分析した後、研究者が予想外の知見を最初から予測していたかのように序論を書きます。これを何と呼びますか?

  1. A操作的定義
  2. Bデブリーフィング
  3. CHARKing(結果がわかった後に仮説を立てること)
  4. Dカウンターバランス
3.記述統計ふつう
30354045505560

データの標本標準偏差 s を求めなさい:55, 49, 44, 45, 60, 28, 30。

n = 7
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 100、標準偏差 10 の正規分布に従います。106 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 100σ = 10x = 106
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 = 8, p = 0.5: P(X = 3) = ?k012345678

あるテストには選択問題が 8 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 0.5 で正解します。ちょうど 3 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 8p = 0.5k = 3
P =
7.正規分布ふつう
76.75118P = ?

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。76.75 から 118 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 = 76.75x2 = 118
P =
8.正規分布むずかしい
35455565758595点下端 25%

試験の得点 は、平均 65 点、標準偏差 10 点 の正規分布に従います。色つきの下位 25% 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 = 65 点σ = 10 点25%
x = 点
9.信頼区間ふつう
n = 15, s = 6LUx̄ = 119.5E = ?99%

15 個からなる標本の平均は 119.5、標準偏差は s = 6 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 = 15x̄ = 119.5s = 699%t(14) = 2.977
E =
10.信頼区間むずかしい
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0299%

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 0.02 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 = 0.0299%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
1.28p = ?

ある母集団の平均は 100 であると主張されています。母標準偏差は 20 であることがわかっています。100 個の観測値からなる無作為標本の平均は 102.56 です。H₀: μ = 100 対 H₁: μ > 100 を検定します。p 値 p を求めなさい。

μ₀ = 100σ = 20n = 100x̄ = 102.56H₁: μ > μ₀
p =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 12, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 199%

平均の 99% 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 = 199%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy242349447553662xy2465060

表は x = 広告費(k€) と y = 売上高(k€) の 5 組の対になった観測値を示しています。 最小二乗直線の決定係数 r² を求めなさい。

n = 5
r² =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy2941962383310371247xy5102040x = 3

表は x = 荷重 (kN) と y = 伸び (mm) 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 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 6x = 3
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
バス自転車車合計学生18431576職員43311589合計617430165

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「学生、車」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 76列の合計 = 30N = 165
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、6 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)。 表を使って、有意水準 α = 0.01 での臨界値 χ²crit を求めなさい。

α = 0.01
χ²crit =

3溶液

1.心理学研究法

答え: D · 観察された効果が、ほかの要因ではなく本当に独立変数によって引き起こされたかどうか

これが答えになる理由

内的妥当性が高いとは、交絡、要求特性、実験者バイアスなどの代替説明が排除されていることを意味します。外的妥当性は一般化に関わります。

答え

D · 観察された効果が、ほかの要因ではなく本当に独立変数によって引き起こされたかどうか
2.心理学研究法

答え: C · HARKing(結果がわかった後に仮説を立てること)

これが答えになる理由

HARKing は探索的な結果を確証的なものとして示し、知見を実際より頑健に見せます。再現性の危機の一因です。

答え

C · HARKing(結果がわかった後に仮説を立てること)
3.記述統計

答え: s = 11.93

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 = 311/7 = 44.43

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 10.57² + 4.571² + (−0.4286)² + 0.5714² + 15.57² + (−16.43)² + (−14.43)² = 853.7

標準偏差

s = √(853.7/6) = 11.93

答え

s = 11.93
4.記述統計

答え: P = 0.7257

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 = 0.6

標準正規分布表

Φ(0.6) = 0.7257
P = 0.7257

答え

P = 0.7257
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 = 0.2188

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 = 3) = 56·0.53·0.55 = 56·0.125·0.03125 = 0.2188

答え

P = 0.2188
7.正規分布

答え: P = 0.8244

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 = (76.75 − 100)/15 = −1.55
z₂ = (118 − 100)/15 = 1.2

間の面積

P = Φ(1.2) − Φ(−1.55) = 0.8849 − 0.06057 = 0.8244

答え

P = 0.8244
8.正規分布

答え: x = 58.3 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) = 0.25

表からの z

z ≈ −0.67

元の単位に戻す

x = 65 − 0.67·10 = 58.3 点

答え

x = 58.3 点
9.信頼区間

答え: E = 4.612

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 = 2.977

誤差の幅

E = 2.977·6/√15 = 4.612

答え

E = 4.612
10.信頼区間

答え: n = 4148

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 = 2.576²·0.5·0.5/0.02² = 4147

切り上げる

n = 4148

答え

n = 4148
11.仮説検定と信頼区間

答え: p = 0.1003

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.

検定統計量

SE = σ/√n = 20/√100 = 2
z = (102.56 − 100)/2 = 1.28

裾の面積

Φ(1.28) = 0.8997
1 − Φ(1.28) = 0.1003

p 値

p = 0.1003

答え

p = 0.1003

p > 0.05 なので、有意水準 5% で H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: n = 956

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 = (2.576·12/1)² = 955.6

切り上げる

n = 956

答え

n = 956
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.8597

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 = 20/5 = 4
ȳ = 253/5 = 50.6

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 44
Syy = Σ(y − ȳ)² = 225.2

決定係数

r² = 44²/(10·225.2) = 0.8597

答え

r² = 0.8597

y の変動の約 85.97% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 13.49

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 = 42/6 = 7
ȳ = 168/6 = 28

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 254

回帰直線

b = 254/70 = 3.629
a = 28 − 3.629·7 = 2.6
ŷ = 2.6 + 3.629·x

予測

ŷ = 2.6 + 3.629·3 = 13.49

答え

ŷ = 13.49
15.カイ二乗検定

答え: E = 13.82

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 = 76·30/165 = 13.82

答え

E = 13.82
16.カイ二乗検定

答え: χ²crit = 15.09

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 = 6 − 1 = 5

表

χ²crit(df = 5, α = 0.01) = 15.086

答え

χ²crit = 15.086

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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