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

アメリカの学部生だけで行った研究に欠けている可能性があるのはどれですか?

  1. A評定者間信頼性
  2. B母集団的妥当性
  3. C内的一貫性
  4. D内容的妥当性
2.心理学研究法むずかしい

研究者があるデータセットで 20 の分析を行い、p < 0.05 になった 1 つだけを報告します。この慣行を何と呼びますか?

  1. A事前登録
  2. Bカウンターバランス
  3. Cp ハッキング
  4. Dトライアンギュレーション
3.記述統計ふつう
3436384042444648505254

データの標本標準偏差 s を求めなさい:43, 34, 50, 54, 51。

n = 5
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 50、標準偏差 5 の正規分布に従います。40 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 50σ = 5x = 40
P =
5.確率ふつう
xp(x)00.310.3520.330.05μ = 1.1

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, 2, 3p(x): 0.3, 0.35, 0.3, 0.05
Var(X) =
6.確率むずかしい
n = 6, p = 0.7: P(X ≤ 1) = ?k0123456

部品を 6 個試験し、各部品は独立に確率 0.7 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 = 6p = 0.7
P =
7.正規分布ふつう
77.5108.25P = ?

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。77.5 から 108.25 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 = 77.5x2 = 108.25
P =
8.正規分布むずかしい
10 cm0X − Y?

ある集団の男性の身長 X と女性の身長 Y は独立な正規変数です:X は平均 180 cm、標準偏差 10 cm、Y は平均 170 cm、標準偏差 12 cm です。X が Y より大きい確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =
9.信頼区間ふつう
n = 8, sd​ = 6.40L = ?Ud̄ = −5.7E95%

8 人の患者の血圧を治療の前後に測定します。差 d = 前 − 後(mmHg)の平均は −5.7、標準偏差は 6.4 です。 差の平均の 95% 信頼区間の下限を求めなさい。

n = 8d̄ = −5.7sd = 6.495%t(7) = 2.365
下限 = mmHg
10.信頼区間むずかしい
p ≈ 0.2, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0590%

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 0.05 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 = 0.0590%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −1.9901.99

学生 81 人の標本の平均点は 72.69、標本標準偏差は 8 です。H₀: μ = 75 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 75x̄ = 72.69s = 8n = 81
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 5, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 295%

平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 2 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 5 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 5E = 295%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy15461868217424792791xy1520256080

表は x = 気温 (°C) と y = アイスクリームの販売数 の 5 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 = 5Σx = 105Σy = 358Σx² = 2295Σy² = 26738Σxy = 7821
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy124223323421517617xy24620ŷ = 18

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 = 18 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 18
x =
15.カイ二乗検定ふつう
咳あり咳なし合計喫煙者293160非喫煙者162440合計4555100

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 = 1002 × 2
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい

カイ二乗適合度検定で、4 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。 この検定の自由度 df はいくつですか?

k = 4
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: B · 母集団的妥当性

これが答えになる理由

母集団的妥当性は外的妥当性の一種です。ほとんどが若く、西洋の、教育を受けた人々からなる標本は、ほかの人々を代表しないかもしれません。

答え

B · 母集団的妥当性
2.心理学研究法

答え: C · p ハッキング

これが答えになる理由

p ハッキングは分析の柔軟性を利用して有意性を得るもので、偽陽性率を 5% よりはるかに高くします。事前登録と透明な報告がそれを減らします。

答え

C · p ハッキング
3.記述統計

答え: s = 8.019

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 = 232/5 = 46.4

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−3.4)² + (−12.4)² + 3.6² + 7.6² + 4.6² = 257.2

標準偏差

s = √(257.2/4) = 8.019

答え

s = 8.019
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) = 0.02275
P = 0.02275

答え

P = 0.02275
5.確率

答え: Var(X) = 0.79

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 = 0·0.3 + 1·0.35 + 2·0.3 + 3·0.05 = 1.1

2 乗の平均

E(X²) = 0·0.3 + 1·0.35 + 4·0.3 + 9·0.05 = 2

分散

Var(X) = 2 − 1.1² = 0.79

答え

Var(X) = 0.79
6.確率

答え: P = 0.01094

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) = 0.36 = 0.000729
P(X = 1) = 6·0.7·0.35 = 0.01021

足し合わせる

P = 0.000729 + 0.01021 = 0.01094

答え

P = 0.01094
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 = (77.5 − 100)/15 = −1.5
z₂ = (108.25 − 100)/15 = 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: P = 0.7389

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。

差の分布

μ = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15.62 cm

標準化する

z = (0 − 10)/15.62 = −0.64

確率

P = 1 − Φ(−0.64) = 0.7389

答え

P = 0.7389
9.信頼区間

答え: 下限 = −11.05 mmHg

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.

臨界値

df = 7, t = 2.365

誤差の幅

E = 2.365·6.4/√8 = 5.351

区間

−5.7 ± 5.351 → [−11.05, −0.3486]

答え

下限 = −11.05 mmHg
10.信頼区間

答え: n = 174

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 = 1.645²·0.2·0.8/0.05² = 173.2

切り上げる

n = 174

答え

n = 174
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −2.599

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 = 8/√81 = 8/9 = 0.8889

検定統計量

t = (72.69 − 75)/0.8889 = −2.599

答え

t = −2.599
t0.025; df = 80 = 1.99

|t| > 1.99 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: n = 25

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 = (1.96·5/2)² = 24.01

切り上げる

n = 25

答え

n = 25
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9607

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 = 7821 − 105·358/5 = 303
Sxx = 2295 − 105²/5 = 90
Syy = 26738 − 358²/5 = 1105

相関係数

r = 303/√(90·1105) = 0.9607

答え

r = 0.9607
14.線形回帰と相関

答え: x = 5.303

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 = 125/6 = 20.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −27.5

回帰直線

b = −27.5/17.5 = −1.571
a = 20.83 − (−1.571)·3.5 = 26.33
ŷ = 26.33 − 1.571·x

x について解く

x = (18 − 26.33)/(−1.571) = 5.303

答え

x = 5.303
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 0.6734

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

喫煙者: 60·45/100 = 27, 60·55/100 = 33
非喫煙者: 40·45/100 = 18, 40·55/100 = 22

カイ二乗統計量

χ² = (29 − 27)²/27 + (31 − 33)²/33 + (16 − 18)²/18 + (24 − 22)²/22
χ² = 0.6734

答え

χ² = 0.6734

df = 1。α = 0.05 での臨界値は 3.841 なので、H₀(独立)は棄却されない。

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 = 4 − 1 − 1 = 2

答え

df = 2

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