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

第 1 種の過誤が起こるのは、研究者がどうしたときですか?

  1. A誤った帰無仮説を棄却しなかったとき
  2. B間違った統計的検定を使ったとき
  3. Cデータを集めすぎたとき
  4. D実際には正しい帰無仮説を棄却したとき
2.心理学研究法むずかしい

データを分析した後、研究者が予想外の知見を最初から予測していたかのように序論を書きます。これを何と呼びますか?

  1. AHARKing(結果がわかった後に仮説を立てること)
  2. Bデブリーフィング
  3. C操作的定義
  4. Dカウンターバランス
3.記述統計ふつう
1520253035

データの標本標準偏差 s を求めなさい:18, 39, 11, 30, 26。

n = 5
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 60、標準偏差 10 の正規分布に従います。64 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 60σ = 10x = 64
z =
5.確率ふつう
n = 15k = 3N = ?

15 人のグループから 3 人の委員会を選ぶ方法 N は何通りですか?順序は問いません。

n = 15k = 3
N =
6.確率むずかしい
n = 8, p = 0.2: P(X = 4) = ?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 0.2 で正解します。ちょうど 4 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 8p = 0.2k = 4
P =
7.正規分布ふつう
442562P = ?

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。442 から 562 h 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 = 500σ = 40x1 = 442x2 = 562
P =
8.正規分布むずかしい
0.02 mm0D − d?

穴の直径 D は平均 25.02 mm、標準偏差 0.015 mm の正規分布に従います。軸の直径 d は D と独立で、平均 25 mm、標準偏差 0.015 mm の正規分布に従います。無作為に選んだ軸は D − d > 0 のとき穴にはまります。はまる確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

穴: μ = 25.02 mm, σ = 0.015 mm軸: μ = 25 mm, σ = 0.015 mm
P =
9.信頼区間ふつう
n = 8, sd​ = 1.20L = ?Ud̄ = 9.2E90%

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 9.2、標準偏差は 1.2 です。 差の平均の 90% 信頼区間の下限を求めなさい。

n = 8d̄ = 9.2sd = 1.290%t(7) = 1.895
下限 = mmHg
10.信頼区間むずかしい
σ = 15, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1.595%

母標準偏差は 15 です。平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 1.5 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 = 15E = 1.595%
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 196.5、標本標準偏差は 10 です。H₀: μ = 200 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 200x̄ = 196.5s = 10n = 16
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
μ₀x̄c

H₀: μ = 200 対 H₁: μ > 200 の片側 z 検定を、α = 0.01、標本サイズ 64 で行います。標準偏差は 16 であることがわかっています。実際の平均は 203 です。 検定の検出力 1 − β をパーセントで求めなさい。

μ₀ = 200μ = 203σ = 16n = 64α = 0.01
1 − β = %
13.線形回帰と相関ふつう
xy244106158191021xy5101020

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
xy342444555652759861xy4685060ŷ = 53

表は x = 広告費(k€) と y = 売上高(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 = 53 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 53
x =
15.カイ二乗検定ふつう
改善あり改善なし合計新薬4159100プラセボ2595120合計66154220

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 = 2202 × 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

カイ二乗適合度検定で、9 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。 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: D · 実際には正しい帰無仮説を棄却したとき

これが答えになる理由

第 1 種の過誤は存在しない効果があると主張することです。その確率は有意水準(多くは 0.05)に等しくなります。第 2 種の過誤は本当の効果を見逃すことです。

答え

D · 実際には正しい帰無仮説を棄却したとき
2.心理学研究法

答え: A · HARKing(結果がわかった後に仮説を立てること)

これが答えになる理由

HARKing は探索的な結果を確証的なものとして示し、知見を実際より頑健に見せます。再現性の危機の一因です。

答え

A · HARKing(結果がわかった後に仮説を立てること)
3.記述統計

答え: s = 10.8

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 = 124/5 = 24.8

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−6.8)² + 14.2² + (−13.8)² + 5.2² + 1.2² = 466.8

標準偏差

s = √(466.8/4) = 10.8

答え

s = 10.8
4.記述統計

答え: z = 0.4

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 = (64 − 60)/10 = 0.4

答え

z = 0.4
5.確率

答え: N = 455

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。

組合せ

C(15, 3) = (15·14·13)/(3·2·1) = 455

答え

N = 455
6.確率

答え: P = 0.04588

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 = 4) = 70·0.24·0.84 = 70·0.0016·0.4096 = 0.04588

答え

P = 0.04588
7.正規分布

答え: P = 0.8659

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 = (442 − 500)/40 = −1.45
z₂ = (562 − 500)/40 = 1.55

間の面積

P = Φ(1.55) − Φ(−1.45) = 0.9394 − 0.07353 = 0.8659

答え

P = 0.8659
8.正規分布

答え: P = 0.8264

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 = 25.02 − 25 = 0.02 mm, σ = 0.02121 mm

標準化する

z = (0 − 0.02)/0.02121 = −0.94

確率

P = 1 − Φ(−0.94) = 0.8264

答え

P = 0.8264
9.信頼区間

答え: 下限 = 8.396 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 = 1.895

誤差の幅

E = 1.895·1.2/√8 = 0.804

区間

9.2 ± 0.804 → [8.396, 10]

答え

下限 = 8.396 mmHg
10.信頼区間

答え: n = 385

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 = (1.96·15/1.5)² = 384.2

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 = 385

答え

n = 385
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −1.4

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 = 10/√16 = 10/4 = 2.5

検定統計量

t = (196.5 − 200)/2.5 = −1.4

答え

t = −1.4
t0.025; df = 15 = 2.131

|t| < 2.131 なので、有意水準 5%(両側)で H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: 1 − β = 20.44 %

検定の検出力:検出力 = 1 − β は、H₀ が誤っているときに H₀ を棄却する確率です。μ₀ と z_α から境界値 x̄c を求め、真の平均を使って x̄c を超える確率を計算します:z = (x̄c − μ)/(σ/√n)。

臨界標本平均

SE = 16/√64 = 2
x̄c = 200 + 2.326·2 = 204.7

真の平均のもとでの z

z = (204.7 − 203)/2 = 0.826

電力

検出力 = P(Z > 0.826) = 20.44%
1 − β = 20.44%

答え

1 − β = 20.44%
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9691

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 = 69/5 = 13.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 86
Syy = Σ(y − ȳ)² = 190.8

決定係数

r² = 86²/(40·190.8) = 0.9691

答え

r² = 0.9691

y の変動の約 96.91% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: x = 5.713

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 = 33/6 = 5.5
ȳ = 313/6 = 52.17

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 68.5

回帰直線

b = 68.5/17.5 = 3.914
a = 52.17 − 3.914·5.5 = 30.64
ŷ = 30.64 + 3.914·x

x について解く

x = (53 − 30.64)/3.914 = 5.713

答え

x = 5.713
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 10.56

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

新薬: 100·66/220 = 30, 100·154/220 = 70
プラセボ: 120·66/220 = 36, 120·154/220 = 84

カイ二乗統計量

χ² = (41 − 30)²/30 + (59 − 70)²/70 + (25 − 36)²/36 + (95 − 84)²/84
χ² = 10.56

答え

χ² = 10.56

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 = 14.07

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 = 9 − 1 − 1 = 7

表

χ²crit(df = 7, α = 0.05) = 14.067

答え

χ²crit = 14.067

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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