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

ある相関で r = 0.40 です。一方の変数の分散のうち、もう一方と共有される割合はどれだけですか?

  1. A16%
  2. B4%
  3. C40%
  4. D60%
2.心理学研究法むずかしい

研究者が 5 つの t 検定を行い、ボンフェローニ補正で全体の第 1 種の過誤率を 0.05 に保ちたいと考えています。各検定ではどの有意水準を使うべきですか?

  1. A0.05
  2. B0.01
  3. C0.025
  4. D0.25
3.記述統計ふつう
2530354045505560

データの標本標準偏差 s を求めなさい:25, 27, 48, 60, 25, 32, 40。

n = 7
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 50、標準偏差 10 の正規分布に従います。65 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 50σ = 10x = 65
P =
5.確率ふつう
赤: 3青: 6

袋に赤玉 3 個と青玉 6 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?

3 / 6
P =
6.確率むずかしい
n = 9, p = 0.7: P(X ≤ 1) = ?k0123456789

部品を 9 個試験し、各部品は独立に確率 0.7 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 = 9p = 0.7
P =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123z−z から z の間の色つき面積 = 0.5587

標準正規曲線の下で、−z から z の間の色つき面積が 0.5587 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 = 0.5587
z =
8.正規分布むずかしい
157164171178185192199cm下端 20%

成人男性の身長 は、平均 178 cm、標準偏差 7 cm の正規分布に従います。色つきの下位 20% 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 = 178 cmσ = 7 cm20%
x = cm
9.信頼区間ふつう
n = 6, sd​ = 0.60L = ?Ud̄ = 2.5E99%

6 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 2.5、標準偏差は 0.6 です。 差の平均の 99% 信頼区間の下限を求めなさい。

n = 6d̄ = 2.5sd = 0.699%t(5) = 4.032
下限 = mmHg
10.信頼区間むずかしい
σ = 24, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 295%

母標準偏差は 24 です。平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 2 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 = 24E = 295%
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 203.6、標本標準偏差は 12 です。H₀: μ = 200 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 200x̄ = 203.6s = 12n = 16
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
H₀H₁μ₀x̄cμ₀ + 5α = 0.05βσ = 27, 検出力 95%, n = ?

α = 0.05 の片側 z 検定で、平均の 5 単位のずれを検出力 95% で検出しなければなりません。標準偏差は 27 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

α = 0.05検出力 = 95%δ = 5σ = 27zα = 1.645zβ = 1.645
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy2474566658721079xy51050607080

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
xy12122031541651269xy246101520ŷ = 11

表は x = 車の年数(年) と y = 価格(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 = 11 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 11
x =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤30181058夜勤23272979合計534539137

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「日勤、欠陥なし」の期待度数 E を求めなさい。

行の合計 = 58列の合計 = 53N = 137
E =
16.カイ二乗検定むずかしい
合格不合格合計ライン 14159100ライン 283240ライン 3114960合計60140200dfα = 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: A · 16%

これが答えになる理由

決定係数は r² で、ここでは 0.40² = 0.16 なので、分散の 16% が共有されています。

答え

A · 16%
2.心理学研究法

答え: B · 0.01

これが答えになる理由

ボンフェローニ補正は α を比較の数で割ります:0.05 / 5 = 0.01。単純ですが保守的で、第 2 種の過誤のリスクを高めます。

答え

B · 0.01
3.記述統計

答え: s = 13.36

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 = 257/7 = 36.71

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−11.71)² + (−9.714)² + 11.29² + 23.29² + (−11.71)² + (−4.714)² + 3.286² = 1071

標準偏差

s = √(1071/6) = 13.36

答え

s = 13.36
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) = 0.9332
P = 1 − 0.9332 = 0.06681

答え

P = 0.06681
5.確率

答え: P = 0.08333

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 = 3/9 · 2/8 = 6/72 = 0.08333

答え

P = 0.08333
6.確率

答え: P = 0.000433

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) = 0.39 = 1.968 × 10⁻⁵
P(X = 1) = 9·0.7·0.38 = 0.0004133

足し合わせる

P = 1.968 × 10⁻⁵ + 0.0004133 = 0.000433

答え

P = 0.000433
7.正規分布

答え: z = 0.77

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 + 0.5587)/2 = 0.7794

z 表を逆に読む

表の中で 0.7794 を見つけ、z を読み取ります。

z = 0.77

答え

z = 0.77
8.正規分布

答え: x = 172.1 cm

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) = 0.2

表からの z

z ≈ −0.84

元の単位に戻す

x = 178 − 0.84·7 = 172.1 cm

答え

x = 172.1 cm
9.信頼区間

答え: 下限 = 1.512 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 = 5, t = 4.032

誤差の幅

E = 4.032·0.6/√6 = 0.9876

区間

2.5 ± 0.9876 → [1.512, 3.488]

答え

下限 = 1.512 mmHg
10.信頼区間

答え: n = 554

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 = (1.96·24/2)² = 553.2

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 = 554

答え

n = 554
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 1.2

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 = 12/√16 = 12/4 = 3

検定統計量

t = (203.6 − 200)/3 = 1.2

答え

t = 1.2
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: n = 316

検定に必要な標本サイズ:有意水準 α の片側 z 検定で、真のずれ δ を検出力 1 − β で検出するには、標準誤差が δ = (z_α + z_β)·σ/√n を満たす必要があるので、n = ((z_α + z_β)·σ/δ)² を切り上げます。

n について解く

n = ((1.645 + 1.645)·27/5)² = 315.6

切り上げる

n = 316

答え

n = 316
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9956

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 = 319/5 = 63.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 160
Syy = Σ(y − ȳ)² = 642.8

決定係数

r² = 160²/(40·642.8) = 0.9956

答え

r² = 0.9956

y の変動の約 99.56% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: x = 5.398

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 = 21/6 = 3.5
ȳ = 93/6 = 15.5

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −41.5

回帰直線

b = −41.5/17.5 = −2.371
a = 15.5 − (−2.371)·3.5 = 23.8
ŷ = 23.8 − 2.371·x

x について解く

x = (11 − 23.8)/(−2.371) = 5.398

答え

x = 5.398
15.カイ二乗検定

答え: E = 22.44

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 = 58·53/137 = 22.44

答え

E = 22.44
16.カイ二乗検定

答え: χ² = 11.56

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

ライン 1: 30, 70
ライン 2: 12, 28
ライン 3: 18, 42

カイ二乗統計量

χ² = (41 − 30)²/30 + (59 − 70)²/70 + (8 − 12)²/12 + (32 − 28)²/28 + (11 − 18)²/18 + (49 − 42)²/42
χ² = 11.56

判断

df = 2, χ²crit = 9.210
11.56 > 9.210

答え

χ² = 11.56

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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