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

面接での自由回答式の質問からは、どのような種類のデータが得られますか?

  1. A比率尺度のデータ
  2. B名義尺度の量的データだけ
  3. C質的データ
  4. D間隔尺度のデータ
2.心理学研究法むずかしい

実験で参加者を条件に無作為に割り当てる主な目的は何ですか?

  1. A結果が一般化できるよう、標本を対象とする母集団の代表にするため
  2. B参加者変数を均等に分配し、結果を交絡させないようにする
  3. C回答率を上げる
  4. D参加者が目的を知らないようにする
3.記述統計ふつう
253035404550

データの標本標準偏差 s を求めなさい:23, 34, 29, 54, 47。

n = 5
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 15 の正規分布に従います。109 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 100σ = 15x = 109
P =
5.確率ふつう
赤: 6青: 4

袋に赤玉 6 個と青玉 4 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?

6 / 4
P =
6.確率むずかしい
€p(x)−30.8430.15570.01

ゲームの参加費は €3 です。確率 0.15 で €6、確率 0.01 で €60 を獲得し、それ以外では何も獲得しません。賭け金は戻りません。1 ゲームあたりの純利得の期待値 E(G) を求めなさい。

賭け金 = €3€6: p = 0.15€60: p = 0.01
E(G) = €
7.正規分布ふつう
750 g740.2 gX + Y?

X は平均 250 g、標準偏差 4 g の正規分布に従い、Y は X と独立で、平均 500 g、標準偏差 9 g の正規分布に従います。X + Y が 740.2 g 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 = 250, σX = 4μY = 500, σY = 9X + Y > 740.2 g
P =
8.正規分布むずかしい
380420460500540580620h下端 90%

電池の寿命 は、平均 500 h、標準偏差 40 h の正規分布に従います。色つきの下位 90% 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 = 500 hσ = 40 h90%
x = h
9.信頼区間ふつう
μ₁ − μ₂0L = ?Ux̄₁ − x̄₂E90%

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 1:80 台、平均 106 h、既知の標準偏差 16 h。機種 2:80 台、平均 117 h、既知の標準偏差 8 h。 μ₁ − μ₂ の 90% 信頼区間の下限を求めなさい。

n₁ = 80x̄₁ = 106 hσ₁ = 16 hn₂ = 80x̄₂ = 117 hσ₂ = 8 h90%
下限 = h
10.信頼区間むずかしい
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0490%

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 90% 信頼区間の誤差の幅を 0.04 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 = 0.0490%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
t −2.13102.131

学生 16 人の標本の平均点は 40.25、標本標準偏差は 15 です。H₀: μ = 50 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 50x̄ = 40.25s = 15n = 16
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.9601.96

25 回の測定の標本平均は 495.8 です。母標準偏差は 15 です。平均の 95% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 495.8σ = 15n = 2595%
L =
13.線形回帰と相関ふつう
xy156317731983219723113xy15206080100

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
xy2124156228301039xy51010203040x = 9

表は x = 荷重 (kN) と y = 伸び (mm) 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 = 9 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 5x = 9
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
はいいいえ合計男性241640女性4872120合計7288160

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
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

2 行 5 列(合計を除く)の分割表について、カイ二乗独立性検定を行います。 表を使って、有意水準 α = 0.05 での臨界値 χ²crit を求めなさい。

α = 0.05
χ²crit =

3溶液

1.心理学研究法

答え: C · 質的データ

これが答えになる理由

自由回答式の質問は豊かな質的データを生みますが、選択式の質問への回答より統計的な分析は難しくなります。

答え

C · 質的データ
2.心理学研究法

答え: B · 参加者変数を均等に分配し、結果を交絡させないようにする

これが答えになる理由

無作為割り当ては条件間の個人差を均衡させ、因果的な結論を支えます。無作為抽出は母集団への一般化に関わります。

答え

B · 参加者変数を均等に分配し、結果を交絡させないようにする
3.記述統計

答え: s = 12.82

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 = 187/5 = 37.4

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−14.4)² + (−3.4)² + (−8.4)² + 16.6² + 9.6² = 657.2

標準偏差

s = √(657.2/4) = 12.82

答え

s = 12.82
4.記述統計

答え: P = 0.2743

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 = 1 − 0.7257 = 0.2743

答え

P = 0.2743
5.確率

答え: P = 0.3333

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 = 6/10 · 5/9 = 30/90 = 0.3333

答え

P = 0.3333
6.確率

答え: E(G) = −1.5 €

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。

純利得の結果

G: 3 (p = 0.15), 57 (p = 0.01), −3 (p = 0.84)

期待値

E(G) = 3·0.15 + 57·0.01 − 3·0.84 = −1.5 €

答え

E(G) = −1.5 €

負の値は、平均して損をすることを意味します。

7.正規分布

答え: P = 0.8413

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 = 750 g, σ = √(4² + 9²) = 9.849 g

標準化する

z = (740.2 − 750)/9.849 = −1

上側確率

P = 1 − Φ(−1) = 1 − 0.1587 = 0.8413

答え

P = 0.8413
8.正規分布

答え: x = 551 h

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) = 0.9

表からの z

z ≈ 1.28

元の単位に戻す

x = 500 + 1.28·40 = 551 h

答え

x = 551 h
9.信頼区間

答え: 下限 = −14.29 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 = 106 − 117 = −11

標準誤差

SE = √(16²/80 + 8²/80) = 2

誤差の幅

E = 1.645·2 = 3.29

区間

−11 ± 3.29 → [−14.29, −7.71]

答え

下限 = −14.29 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: n = 423

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 = 1.645²·0.5·0.5/0.04² = 422.8

切り上げる

n = 423

答え

n = 423
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −2.6

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 = 15/√16 = 15/4 = 3.75

検定統計量

t = (40.25 − 50)/3.75 = −2.6

答え

t = −2.6
t0.025; df = 15 = 2.131

|t| > 2.131 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: L = 489.9

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。

誤差の幅

E = 1.96·15/√25 = 5.88

区間の端

L = 495.8 − 5.88 = 489.9

答え

L = 489.9
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9938

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 = 429/5 = 85.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 248
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1557

相関係数

r = 248/√(40·1557) = 0.9938

答え

r = 0.9938
14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 33.95

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 = 30/5 = 6
ȳ = 118/5 = 23.6

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 138

回帰直線

b = 138/40 = 3.45
a = 23.6 − 3.45·6 = 2.9
ŷ = 2.9 + 3.45·x

予測

ŷ = 2.9 + 3.45·9 = 33.95

答え

ŷ = 33.95
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 4.848

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

男性: 40·72/160 = 18, 40·88/160 = 22
女性: 120·72/160 = 54, 120·88/160 = 66

カイ二乗統計量

χ² = (24 − 18)²/18 + (16 − 22)²/22 + (48 − 54)²/54 + (72 − 66)²/66
χ² = 4.848

答え

χ² = 4.848

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: χ²crit = 9.488

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 = (2 − 1)·(5 − 1) = 4

表

χ²crit(df = 4, α = 0.05) = 9.488

答え

χ²crit = 9.488

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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