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

ある研究が事前登録されています。これはどういう意味ですか?

  1. A参加者がオンラインで同意を登録している
  2. B公表の前に、独立した 2 人目の統計家が結果を確認し承認した
  3. C研究がすでに公刊されている
  4. Dデータ収集の前に、仮説、方法、分析計画が公開で記録されている
2.心理学研究法むずかしい

コーエンの d のような効果量が報告されるのはなぜですか?

  1. A標本の大きさにかかわらず、効果がどれだけ大きいかを示すから
  2. Bどんな仮説も不要にするから
  3. C選んだ有意水準で結果が統計的に有意かどうかを示す
  4. D何人の参加者が脱落したかを示すから
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:51, 43, 42, 48, 30, 56, 14。

n = 7
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 100、標準偏差 10 の正規分布に従います。80 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 100σ = 10x = 80
z =
5.確率ふつう
赤: 4青: 7

袋に赤玉 4 個と青玉 7 個が入っています。1 個目を戻さずに 2 個取り出します。2 個とも赤である確率 P はいくつですか?

4 / 7
P =
6.確率むずかしい
n = 8, p = 0.3: P(X = 2) = ?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 0.3 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 = 8p = 0.3k = 2
P =
7.正規分布ふつう
200 mm200.3 mmX + Y?

X は平均 120 mm、標準偏差 0.3 mm の正規分布に従い、Y は X と独立で、平均 80 mm、標準偏差 0.4 mm の正規分布に従います。X + Y が 200.3 mm を超える確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

μX = 120, σX = 0.3μY = 80, σY = 0.4X + Y > 200.3 mm
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 100x = ?5%

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。全体の 5% がそれより下にある値 x(第 5 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 100σ = 15P = 5%
x = 点
9.信頼区間ふつう
n = 9, s = 19LUx̄ = 19.5E = ?99%

9 個からなる標本の平均は 19.5、標準偏差は s = 19 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 = 9x̄ = 19.5s = 1999%t(8) = 3.355
E =
10.信頼区間むずかしい
σ = 40, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 599%

母標準偏差は 40 です。平均の 99% 信頼区間の誤差の幅を 5 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 = 40E = 599%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.1792.179t = ?df = 12

2 つの指導法を比べます。グループ 1:9 人の学生、平均点 115、標準偏差 2。グループ 2:5 人の学生、平均点 117、標準偏差 2。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 = 9x̄₁ = 115s₁ = 2n₂ = 5x̄₂ = 117s₂ = 2
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 10, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2.595%

平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 2.5 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 10 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 10E = 2.595%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy241345451554661758xy246405060

表は x = 勉強時間 と y = 試験の得点 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
xy366585797910711122xy51080100120x = 4

表は x = 勉強時間 と y = 試験の得点 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。 x = 4 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 5x = 4
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
咳あり咳なし合計喫煙者32840非喫煙者6456120合計9664160

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 = 1602 × 2
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
合格不合格合計ライン 17525100ライン 2202040ライン 37327100合計16872240dfα = 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 = 0.01 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 = 0.01
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: D · データ収集の前に、仮説、方法、分析計画が公開で記録されている

これが答えになる理由

事前登録は確証的分析と探索的分析を区別し、p ハッキングや HARKing のような慣行を減らします。

答え

D · データ収集の前に、仮説、方法、分析計画が公開で記録されている
2.心理学研究法

答え: A · 標本の大きさにかかわらず、効果がどれだけ大きいかを示すから

これが答えになる理由

標本が大きいと、ごく小さな効果でも有意になりえます。効果量は差の大きさを表し、たとえば d = 0.2 は小、0.5 は中、0.8 は大とされます。

答え

A · 標本の大きさにかかわらず、効果がどれだけ大きいかを示すから
3.記述統計

答え: s = 14.3

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 = 284/7 = 40.57

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 10.43² + 2.429² + 1.429² + 7.429² + (−10.57)² + 15.43² + (−26.57)² = 1228

標準偏差

s = √(1228/6) = 14.3

答え

s = 14.3
4.記述統計

答え: z = −2

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 = (80 − 100)/10 = −2

答え

z = −2
5.確率

答え: P = 0.1091

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。

1 回目と 2 回目

P = 4/11 · 3/10 = 12/110 = 0.1091

答え

P = 0.1091
6.確率

答え: P = 0.2965

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) = 28·0.32·0.76 = 28·0.09·0.1176 = 0.2965

答え

P = 0.2965
7.正規分布

答え: P = 0.2743

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。

和の分布

μ = 200 mm, σ = √(0.3² + 0.4²) = 0.5 mm

標準化する

z = (200.3 − 200)/0.5 = 0.6

上側確率

P = 1 − Φ(0.6) = 1 − 0.7257 = 0.2743

答え

P = 0.2743
8.正規分布

答え: x = 75.33 点

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) = 0.05 → z = −1.645

x に戻す

x = 100 + −1.645·15 = 75.33 点

答え

x = 75.33 点
9.信頼区間

答え: E = 21.25

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 = 8, t = 3.355

誤差の幅

E = 3.355·19/√9 = 21.25

答え

E = 21.25
10.信頼区間

答え: n = 425

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 = (2.576·40/5)² = 424.7

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 = 425

答え

n = 425
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −1.793

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 = (8·2² + 4·2²)/12 = 4
sp = 2

標準誤差

SE = 2·√(1/9 + 1/5) = 1.116

検定統計量

t = (115 − 117)/1.116 = −1.793

答え

t = −1.793

df = 12 のとき、両側 5% の臨界値は 2.179 です。|t| の方が小さいので、H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: n = 62

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 = (1.96·10/2.5)² = 61.47

切り上げる

n = 62

答え

n = 62
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9523

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 = 27/6 = 4.5
ȳ = 310/6 = 51.67

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 68
Syy = Σ(y − ȳ)² = 291.3

相関係数

r = 68/√(17.5·291.3) = 0.9523

答え

r = 0.9523
14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 75.3

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 = 35/5 = 7
ȳ = 477/5 = 95.4

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 268

回帰直線

b = 268/40 = 6.7
a = 95.4 − 6.7·7 = 48.5
ŷ = 48.5 + 6.7·x

予測

ŷ = 48.5 + 6.7·4 = 75.3

答え

ŷ = 75.3
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 8.889

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: 40·96/160 = 24, 40·64/160 = 16
非喫煙者: 120·96/160 = 72, 120·64/160 = 48

カイ二乗統計量

χ² = (32 − 24)²/24 + (8 − 16)²/16 + (64 − 72)²/72 + (56 − 48)²/48
χ² = 8.889

答え

χ² = 8.889

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

16.カイ二乗検定

答え: χ² = 9.238

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

ライン 1: 70, 30
ライン 2: 28, 12
ライン 3: 70, 30

カイ二乗統計量

χ² = (75 − 70)²/70 + (25 − 30)²/30 + (20 − 28)²/28 + (20 − 12)²/12 + (73 − 70)²/70 + (27 − 30)²/30
χ² = 9.238

判断

df = 2, χ²crit = 9.210
9.238 > 9.210

答え

χ² = 9.238

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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