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

p 値が 0.03 であるとは、どういう意味ですか?

  1. A効果が大きい
  2. B帰無仮説が正しいとすると、これほど極端なデータが得られるのは約 3% である
  3. C結果は 97% の確率で再現される
  4. D観察されたデータのもとで、帰無仮説が正しい確率は 3% しかない
2.心理学研究法むずかしい

研究者が質問紙、インタビュー、観察を使って職場のストレスを研究し、知見が一致しました。このアプローチを何と呼びますか?

  1. Aカウンターバランス
  2. Bトライアンギュレーション
  3. C追試
  4. D層化
3.記述統計ふつう
101520253035404550

データの標本標準偏差 s を求めなさい:53, 45, 10, 24, 29, 34。

n = 6
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 60、標準偏差 15 の正規分布に従います。48 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 60σ = 15x = 48
P =
5.確率ふつう
P(少なくとも 1 回 6 が出る) = ??1?2?3?4?5?6?7?8P(6) = 各回 1/6

公正なさいころを 8 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 = 8
P =
6.確率むずかしい
n = 5, p = 0.4: P(X ≤ 1) = ?k012345

部品を 5 個試験し、各部品は独立に確率 0.4 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 = 5p = 0.4
P =
7.正規分布ふつう
240 g244.4 gT = X₁ + … + X₆?

ボルト の質量は互いに独立で、平均 40 g、標準偏差 1.2 g の正規分布に従います。そのうち 6 個の合計質量が 244.4 g を下回る確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

μ = 40 gσ = 1.2 gn = 6< 244.4 g
P =
8.正規分布むずかしい
557085100115130145点下端 75%

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。色つきの下位 75% 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 = 100 点σ = 15 点75%
x = 点
9.信頼区間ふつう
μ₁ − μ₂0LU = ?x̄₁ − x̄₂E95%

2 つの機種のスマートフォンの電池持続時間を比べます。機種 1:100 台、平均 134.5 h、既知の標準偏差 17 h。機種 2:30 台、平均 123 h、既知の標準偏差 3 h。 μ₁ − μ₂ の 95% 信頼区間の上限を求めなさい。

n₁ = 100x̄₁ = 134.5 hσ₁ = 17 hn₂ = 30x̄₂ = 123 hσ₂ = 3 h95%
上限 = h
10.信頼区間むずかしい
n = 16σ = ?Us = 10.895%

機械加工した 16 本の軸の直径の標本標準偏差は 10.8 µm です。直径が正規分布に従うと仮定して、母標準偏差の 95% 信頼区間の下限 σ を求めなさい。df = 15 のとき、χ² 分布の 2.5% は 6.262 より下に、2.5% は 27.488 より上にあります。

n = 16s = 10.8 µmχ² = 6.262, 27.488
σ = µm
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.0452.045t = ?df = 29

2 つの指導法を比べます。グループ 1:21 人の学生、平均点 68、標準偏差 10。グループ 2:10 人の学生、平均点 75.9、標準偏差 3.5。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 = 21x̄₁ = 68s₁ = 10n₂ = 10x̄₂ = 75.9s₂ = 3.5
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 10, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 195%

平均の 95% 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 10 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 10E = 195%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy242349446557654xy246455055

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
xy3465527619711186xy5106080x = 10

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。 x = 10 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 5x = 10
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
咳あり咳なし合計喫煙者202040非喫煙者281240合計483280

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 = 802 × 2
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
合格不合格合計工場 A431760工場 B431760工場 C74680合計16040200dfα = 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 = 2003 × 2α = 0.01
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: B · 帰無仮説が正しいとすると、これほど極端なデータが得られるのは約 3% である

これが答えになる理由

p 値は、帰無仮説が正しい場合に、観測された結果と同じかそれ以上に極端な結果が得られる確率です。仮説が正しい確率や効果の大きさを示すものではありません。

答え

B · 帰無仮説が正しいとすると、これほど極端なデータが得られるのは約 3% である
2.心理学研究法

答え: B · トライアンギュレーション

これが答えになる理由

トライアンギュレーションは、複数の方法、情報源、研究者を用います。それらが一致すると、知見の妥当性への確信が高まります。

答え

B · トライアンギュレーション
3.記述統計

答え: s = 15.29

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 = 195/6 = 32.5

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 20.5² + 12.5² + (−22.5)² + (−8.5)² + (−3.5)² + 1.5² = 1170

標準偏差

s = √(1170/5) = 15.29

答え

s = 15.29
4.記述統計

答え: P = 0.2119

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 = −0.8

標準正規分布表

Φ(−0.8) = 0.2119
P = 0.2119

答え

P = 0.2119
5.確率

答え: P = 0.7674

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)8 = 0.2326
P = 1 − 0.2326 = 0.7674

答え

P = 0.7674
6.確率

答え: P = 0.337

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) = 0.65 = 0.07776
P(X = 1) = 5·0.4·0.64 = 0.2592

足し合わせる

P = 0.07776 + 0.2592 = 0.337

答え

P = 0.337
7.正規分布

答え: P = 0.9332

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。

合計の分布

μT = 240 g, σT = 1.2·√6 = 2.939 g

標準化する

z = (244.4 − 240)/2.939 = 1.5

確率

P = Φ(1.5) = 0.9332

答え

P = 0.9332
8.正規分布

答え: x = 110.1 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) = 0.75

表からの z

z ≈ 0.67

元の単位に戻す

x = 100 + 0.67·15 = 110.1 点

答え

x = 110.1 点
9.信頼区間

答え: 上限 = 15 h

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.

点推定値

x̄₁ − x̄₂ = 134.5 − 123 = 11.5

標準誤差

SE = √(17²/100 + 3²/30) = 1.786

誤差の幅

E = 1.96·1.786 = 3.501

区間

11.5 ± 3.501 → [7.999, 15]

答え

上限 = 15 h

区間は 0 を含まないので、平均には有意な差があります。

10.信頼区間

答え: σ = 7.978 µm

分散の区間:(n − 1)s²/σ² は自由度 n − 1 の χ² 分布に従います。σ² の 95% 区間は、(n − 1)s² を上側の χ² 値(その上に 2.5%)で割った値から、下側の χ² 値(その下に 2.5%)で割った値までです。σ の区間は両方の限界の平方根です。s に関して対称ではありません。

平方和

(n − 1)s² = 15·10.8² = 1750

σ² の限界

1750/27.488 = 63.65
1750/6.262 = 279.4

σ の限界

σ = √63.65 = 7.978 µm

答え

σ = 7.978 µm

σ の 95% 区間:[7.978, 16.72] µm。

11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −2.41

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 = (20·10² + 9·3.5²)/29 = 72.77
sp = 8.53

標準誤差

SE = 8.53·√(1/21 + 1/10) = 3.277

検定統計量

t = (68 − 75.9)/3.277 = −2.41

答え

t = −2.41

df = 29 のとき、両側 5% の臨界値は 2.045 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 = 385

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 = (1.96·10/1)² = 384.2

切り上げる

n = 385

答え

n = 385
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.7052

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 = 248/5 = 49.6

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 32
Syy = Σ(y − ȳ)² = 145.2

決定係数

r² = 32²/(10·145.2) = 0.7052

答え

r² = 0.7052

y の変動の約 70.52% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 78.05

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 = 316/5 = 63.2

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 198

回帰直線

b = 198/40 = 4.95
a = 63.2 − 4.95·7 = 28.55
ŷ = 28.55 + 4.95·x

予測

ŷ = 28.55 + 4.95·10 = 78.05

答え

ŷ = 78.05
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 3.333

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: 40·48/80 = 24, 40·32/80 = 16
非喫煙者: 40·48/80 = 24, 40·32/80 = 16

カイ二乗統計量

χ² = (20 − 24)²/24 + (20 − 16)²/16 + (28 − 24)²/24 + (12 − 16)²/16
χ² = 3.333

答え

χ² = 3.333

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: χ² = 13.02

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: 48, 12
工場 B: 48, 12
工場 C: 64, 16

カイ二乗統計量

χ² = (43 − 48)²/48 + (17 − 12)²/12 + (43 − 48)²/48 + (17 − 12)²/12 + (74 − 64)²/64 + (6 − 16)²/16
χ² = 13.02

判断

df = 2, χ²crit = 9.210
13.02 > 9.210

答え

χ² = 13.02

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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