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

生態学的妥当性とは何を指しますか?

  1. Aテストが将来の行動を予測するか
  2. B結果が現実の生活場面にどれだけ一般化できるか
  3. Cテストが正しいものを測っているように見えるか
  4. Dテストが時間を通じてどれだけ一貫しているか
2.心理学研究法むずかしい

研究の標本の大きさを増やすことが最も直接的にもたらすのは何ですか?

  1. A標本からあらゆる偏りがなくなる
  2. B効果量が大きくなる
  3. C効果が存在するなら、統計的に有意な結果が保証される
  4. D本当の効果を検出する統計的検定力が高まる
3.記述統計ふつう
1520253035404550

データの標本標準偏差 s を求めなさい:15, 27, 17, 51, 40。

n = 5
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 20 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 = 70σ = 20x = 40
P =
5.確率ふつう
P(少なくとも 1 回 6 が出る) = ??1?2?3?4?5?6P(6) = 各回 1/6

公正なさいころを 6 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 = 6
P =
6.確率むずかしい
n = 12, p = 0.3: P(X = 1) = ?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 0.3 で正解します。ちょうど 1 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 12p = 0.3k = 1
P =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.9382

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.9382 になるように z をドラッグします。z を小数第 2 位まで求めなさい。

A = 0.9382
z =
8.正規分布むずかしい
35455565758595点下端 30%

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 30% 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30%
x = 点
9.信頼区間ふつう
n = 13, s = 20LU = ?x̄ = 120E95%

13 個からなる標本の平均は 120、標準偏差は s = 20 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 95% 信頼区間の上限を求めなさい。

n = 13x̄ = 120s = 2095%t(12) = 2.179
上限 =
10.信頼区間むずかしい
μ₁ − μ₂, t(24) = 1.7110L = ?Ux̄₁ − x̄₂E90%

2 種類の肥料を試験します。区画群 1:5 区画、平均収量 49.5 kg、標準偏差 10 kg。区画群 2:21 区画、平均 43.5 kg、標準偏差 3.5 kg。等分散を仮定します(プールした t、df = n₁ + n₂ − 2)。 μ₁ − μ₂ の 90% 信頼区間の下限を求めなさい。

n₁ = 5x̄₁ = 49.5s₁ = 10n₂ = 21x̄₂ = 43.5s₂ = 3.590%t(24) = 1.711
下限 = kg
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.1452.145t = ?df = 14

2 つの指導法を比べます。グループ 1:8 人の学生、平均点 36、標準偏差 3。グループ 2:8 人の学生、平均点 48.7、標準偏差 10.5。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 = 8x̄₁ = 36s₁ = 3n₂ = 8x̄₂ = 48.7s₂ = 10.5
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 20, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 390%

平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 3 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 20 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 20E = 390%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy1576178819972110423110xy152080100

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。 ピアソンの相関係数 r を求めなさい。

n = 5
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy135348559770977xy5406080x = 2

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 ŷ = a + b·x を用います。 新しい観測値 (2, 37) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 5(2, 37)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
バス自転車車合計学生2891956職員363540111合計644459167

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 = 56列の合計 = 59N = 167
E =
16.カイ二乗検定むずかしい
はいいいえ合計18~30 歳42186031~50 歳47136051 歳以上6535100合計15466220dfα = 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 = 2203 × 2α = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: B · 結果が現実の生活場面にどれだけ一般化できるか

これが答えになる理由

生態学的妥当性は、結果が日常場面に当てはまるかどうかに関わります。厳しく統制された実験室研究はこの点で低いことがよくあります。

答え

B · 結果が現実の生活場面にどれだけ一般化できるか
2.心理学研究法

答え: D · 本当の効果を検出する統計的検定力が高まる

これが答えになる理由

標本が大きいほど標準誤差が小さくなり、検定力が高まります。真の効果量は変わらず、系統的な偏りも取り除かれません。

答え

D · 本当の効果を検出する統計的検定力が高まる
3.記述統計

答え: s = 15.36

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 = 150/5 = 30

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−15)² + (−3)² + (−13)² + 21² + 10² = 944

標準偏差

s = √(944/4) = 15.36

答え

s = 15.36
4.記述統計

答え: P = 0.06681

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 = −1.5

標準正規分布表

Φ(−1.5) = 0.06681
P = 0.06681

答え

P = 0.06681
5.確率

答え: P = 0.6651

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)6 = 0.3349
P = 1 − 0.3349 = 0.6651

答え

P = 0.6651
6.確率

答え: P = 0.07118

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 = 1) = 12·0.31·0.711 = 12·0.3·0.01977 = 0.07118

答え

P = 0.07118
7.正規分布

答え: z = −1.54

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。

z の左側の面積

Φ(z) = 1 − 0.9382 = 0.0618

z 表を逆に読む

表の中で 0.0618 を見つけ、z を読み取ります。

z = −1.54

答え

z = −1.54
8.正規分布

答え: x = 59.8 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) = 0.3

表からの z

z ≈ −0.52

元の単位に戻す

x = 65 − 0.52·10 = 59.8 点

答え

x = 59.8 点
9.信頼区間

答え: 上限 = 132.1

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 = 12, t = 2.179

誤差の幅

E = 2.179·20/√13 = 12.09

区間

120 ± 12.09 → [107.9, 132.1]

答え

上限 = 132.1
10.信頼区間

答え: 下限 = 1.586 kg

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.

プールした標準偏差

sp² = (4·10² + 20·3.5²)/24 = 26.88
sp = 5.184

誤差の幅

E = 1.711·5.184·√(1/5 + 1/21) = 4.414

区間

6 ± 4.414 → [1.586, 10.41]

答え

下限 = 1.586 kg
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −3.289

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 = (7·3² + 7·10.5²)/14 = 59.63
sp = 7.722

標準誤差

SE = 7.722·√(1/8 + 1/8) = 3.861

検定統計量

t = (36 − 48.7)/3.861 = −3.289

答え

t = −3.289

df = 14 のとき、両側 5% の臨界値は 2.145 です。|t| の方が大きいので、H₀ は棄却されます。

12.仮説検定と信頼区間

答え: n = 121

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 = (1.645·20/3)² = 120.3

切り上げる

n = 121

答え

n = 121
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9899

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 = 95/5 = 19
ȳ = 475/5 = 95

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 168
Syy = Σ(y − ȳ)² = 720

相関係数

r = 168/√(40·720) = 0.9899

答え

r = 0.9899
14.線形回帰と相関

答え: e = −4.9

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 = 25/5 = 5
ȳ = 289/5 = 57.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 212

回帰直線

b = 212/40 = 5.3
a = 57.8 − 5.3·5 = 31.3
ŷ = 31.3 + 5.3·x

予測値

ŷ = 31.3 + 5.3·2 = 41.9

残差

e = 37 − 41.9 = −4.9

答え

e = −4.9

点は直線より下にあります。

15.カイ二乗検定

答え: E = 19.78

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 = 56·59/167 = 19.78

答え

E = 19.78
16.カイ二乗検定

答え: χ² = 3.175

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

18~30 歳: 42, 18
31~50 歳: 42, 18
51 歳以上: 70, 30

カイ二乗統計量

χ² = (42 − 42)²/42 + (18 − 18)²/18 + (47 − 42)²/42 + (13 − 18)²/18 + (65 − 70)²/70 + (35 − 30)²/30
χ² = 3.175

判断

df = 2, χ²crit = 5.991
3.175 < 5.991

答え

χ² = 3.175

χ² は臨界値より小さいので、H₀ は棄却されません:関連を示す有意な証拠はありません。

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