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. B結果は 97% の確率で再現される
  3. C効果が大きい
  4. D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.心理学研究法むずかしい

ある記憶研究は反復測定デザインで、全員がリスト A の後にリスト B を学習します。再生はリスト B のほうがよい結果でした。最も考えられる欠陥はどれですか?

  1. A大きすぎる標本サイズ
  2. B条件がカウンターバランスされていないための、練習などの順序効果
  3. C群間の個人差
  4. D順序尺度の使用
3.記述統計ふつう
303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:35, 39, 28, 34, 59, 44。

n = 6
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。56 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 50σ = 10x = 56
P =
5.確率ふつう
xp(x)100.25200.15300.25400.35μ = 27

示された分布について、X の分散 Var(X) を求めなさい。

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.25, 0.15, 0.25, 0.35
Var(X) =
6.確率むずかしい
n = 5, p = 0.5: P(X = 1) = ?k012345

あるテストには選択問題が 5 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 0.5 で正解します。ちょうど 1 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 5p = 0.5k = 1
P =
7.正規分布ふつう
242259P = ?

袋の重さは、平均 250 g、標準偏差 5 g の正規分布に従います。242 から 259 g 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 = 250σ = 5x1 = 242x2 = 259
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 250x = ?80%

袋の重さは、平均 250 g、標準偏差 5 g の正規分布に従います。全体の 80% がそれより下にある値 x(第 80 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 250σ = 5P = 80%
x = g
9.信頼区間ふつう
n = 9, s = 6.5LU = ?x̄ = 36.5E95%

9 個からなる標本の平均は 36.5、標準偏差は s = 6.5 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 95% 信頼区間の上限を求めなさい。

n = 9x̄ = 36.5s = 6.595%t(8) = 2.306
上限 =
10.信頼区間むずかしい
p ≈ 0.4, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0199%

予備調査によると、製品の約 0.4 が不良品です。 割合の 99% 信頼区間の誤差の幅を 0.01 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 ≈ 0.4E = 0.0199%
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 106、標本標準偏差は 20 です。H₀: μ = 100 に対する検定統計量 t を求めなさい。

μ₀ = 100x̄ = 106s = 20n = 16
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.64501.645

64 回の測定の標本平均は 500.5 です。母標準偏差は 4 です。平均の 90% 信頼区間の上限 U を求めなさい。

x̄ = 500.5σ = 4n = 6490%
U =
13.線形回帰と相関ふつう
xy122220318415513xy241520

表は x = 車の年数(年) と y = 価格(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
xy184421542459277730913392xy2025306080x = 22.5

表は x = 気温 (°C) と y = アイスクリームの販売数 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。 新しい観測値 (22.5, 54) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 6(22.5, 54)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
改善あり改善なし合計新薬186280プラセボ243660合計4298140

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 = 1402 × 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

4 行 4 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 = 0.01 での臨界値 χ²crit を求めなさい。

α = 0.01
χ²crit =

3溶液

1.心理学研究法

答え: D · 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

D · 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 · 条件がカウンターバランスされていないための、練習などの順序効果

これが答えになる理由

すべての参加者が同じ順序で条件を経験すると、向上はリストではなく練習を反映しているかもしれません。カウンターバランス(ABBA、または半数が AB、半数が BA)がこれを統制します。

答え

B · 条件がカウンターバランスされていないための、練習などの順序効果
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 = 239/6 = 39.83

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−4.833)² + (−0.8333)² + (−11.83)² + (−5.833)² + 19.17² + 4.167² = 582.8

標準偏差

s = √(582.8/5) = 10.8

答え

s = 10.8
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: Var(X) = 141

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。

平均

μ = 10·0.25 + 20·0.15 + 30·0.25 + 40·0.35 = 27

2 乗の平均

E(X²) = 100·0.25 + 400·0.15 + 900·0.25 + 1600·0.35 = 870

分散

Var(X) = 870 − 27² = 141

答え

Var(X) = 141
6.確率

答え: P = 0.1563

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 = 1) = 5·0.51·0.54 = 5·0.5·0.0625 = 0.1563

答え

P = 0.1563
7.正規分布

答え: P = 0.9093

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 = (242 − 250)/5 = −1.6
z₂ = (259 − 250)/5 = 1.8

間の面積

P = Φ(1.8) − Φ(−1.6) = 0.9641 − 0.0548 = 0.9093

答え

P = 0.9093
8.正規分布

答え: x = 254.2 g

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) = 0.8 → z = 0.8416

x に戻す

x = 250 + 0.8416·5 = 254.21 g

答え

x = 254.21 g
9.信頼区間

答え: 上限 = 41.5

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 = 2.306

誤差の幅

E = 2.306·6.5/√9 = 4.996

区間

36.5 ± 4.996 → [31.5, 41.5]

答え

上限 = 41.5
10.信頼区間

答え: n = 15926

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 = 2.576²·0.4·0.6/0.01² = 15926

切り上げる

n = 15926

答え

n = 15926
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 = 20/√16 = 20/4 = 5

検定統計量

t = (106 − 100)/5 = 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: U = 501.3

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 = 1.645·4/√64 = 0.8225

区間の端

U = 500.5 + 0.8225 = 501.3

答え

U = 501.3
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9944

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 = 15/5 = 3
ȳ = 88/5 = 17.6

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −23
Syy = Σ(y − ȳ)² = 53.2

決定係数

r² = −23²/(10·53.2) = 0.9944

答え

r² = 0.9944

y の変動の約 99.44% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: e = −4.957

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 = 153/6 = 25.5
ȳ = 417/6 = 69.5

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 553.5

回帰直線

b = 553.5/157.5 = 3.514
a = 69.5 − 3.514·25.5 = −20.11
ŷ = −20.11 + 3.514·x

予測値

ŷ = −20.11 + 3.514·22.5 = 58.96

残差

e = 54 − 58.96 = −4.957

答え

e = −4.957

点は直線より下にあります。

15.カイ二乗検定

答え: χ² = 5

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: 80·42/140 = 24, 80·98/140 = 56
プラセボ: 60·42/140 = 18, 60·98/140 = 42

カイ二乗統計量

χ² = (18 − 24)²/24 + (62 − 56)²/56 + (24 − 18)²/18 + (36 − 42)²/42
χ² = 5

答え

χ² = 5

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 = 21.67

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 = (4 − 1)·(4 − 1) = 9

表

χ²crit(df = 9, α = 0.01) = 21.666

答え

χ²crit = 21.666

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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