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

データが順序尺度か明らかに正規でないとき、2 つの独立した群を比べる検定はどれですか?

  1. Aカイ二乗検定
  2. Bウィルコクソンの符号順位検定
  3. C対応のない t 検定
  4. Dマン・ホイットニーの U 検定
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
  2. B群間の個人差
  3. C順序尺度の使用
  4. D大きすぎる標本サイズ
3.記述統計ふつう
152025303540

データの標本標準偏差 s を求めなさい:39, 25, 27, 11, 33, 27, 41。

n = 7
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 170、標準偏差 20 の正規分布に従います。140 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 170σ = 20x = 140
P =
5.確率ふつう
赤: 7青: 3

袋に赤玉 7 個と青玉 3 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?

7 / 3
P =
6.確率むずかしい
n = 12, p = 0.25: P(X = 1) = ?k0123456789101112

あるテストには選択問題が 12 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 0.25 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 = 12p = 0.25k = 1
P =
7.正規分布ふつう
1360 kg1384 kgT = X₁ + … + X₁₆?

荷物を持つ乗客 の質量は互いに独立で、平均 85 kg、標準偏差 12 kg の正規分布に従います。そのうち 16 個の合計質量が 1384 kg 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 = 85 kgσ = 12 kgn = 16< 1384 kg
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 65x = ?97.5%

試験の得点は、平均 65 点、標準偏差 10 点 の正規分布に従います。全体の 97.5% がそれより下にある値 x(第 97.5 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 65σ = 10P = 97.5%
x = 点
9.信頼区間ふつう
n = 10, s = 3LUx̄ = 92E = ?95%

10 個からなる標本の平均は 92、標準偏差は s = 3 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 95% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 10x̄ = 92s = 395%t(9) = 2.262
E =
10.信頼区間むずかしい
p ≈ 0.2, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0295%

予備調査によると、製品の約 0.2 が不良品です。 割合の 95% 信頼区間の誤差の幅を 0.02 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 ≈ 0.2E = 0.0295%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.1452.145t = ?df = 14

2 つの指導法を比べます。グループ 1:7 人の学生、平均点 112、標準偏差 10.5。グループ 2:9 人の学生、平均点 105.2、標準偏差 4。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 = 7x̄₁ = 112s₁ = 10.5n₂ = 9x̄₂ = 105.2s₂ = 4
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 12, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2.590%

平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 2.5 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 12 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 12E = 2.590%
n =
13.線形回帰と相関ふつう
xy140250356462575xy244060

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。 それらの和が与えられています。これらの和からピアソンの相関係数 r を求めなさい。

n = 5Σx = 15Σy = 283Σx² = 55Σy² = 16705Σxy = 931
r =
14.線形回帰と相関むずかしい
xy342449550653754857xy468455055x = 3.5

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。 新しい観測値 (3.5, 44) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 6(3.5, 44)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤154441100夜勤12284080合計277281180

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 = 1802 × 3
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
合格不合格合計18~30 歳21194031~50 歳673310051 歳以上8020100合計16872240dfα = 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 = 2403 × 2α = 0.01
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: D · マン・ホイットニーの U 検定

これが答えになる理由

マン・ホイットニーの U 検定は、関連のない 2 群の間で順位を比べます。ウィルコクソンの符号順位検定は対応のある標本に使います。

答え

D · マン・ホイットニーの U 検定
2.心理学研究法

答え: A · 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

A · 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 = 10.07

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 = 203/7 = 29

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 10² + (−4)² + (−2)² + (−18)² + 4² + (−2)² + 12² = 608

標準偏差

s = √(608/6) = 10.07

答え

s = 10.07
4.記述統計

答え: P = 0.9332

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) = 0.06681
P = 1 − 0.06681 = 0.9332

答え

P = 0.9332
5.確率

答え: P = 0.4667

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 = 7/10 · 6/9 = 42/90 = 0.4667

答え

P = 0.4667
6.確率

答え: P = 0.1267

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) = 12·0.251·0.7511 = 12·0.25·0.04224 = 0.1267

答え

P = 0.1267
7.正規分布

答え: P = 0.6915

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 = 1360 kg, σT = 12·√16 = 48 kg

標準化する

z = (1384 − 1360)/48 = 0.5

確率

P = Φ(0.5) = 0.6915

答え

P = 0.6915
8.正規分布

答え: x = 84.6 点

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) = 0.975 → z = 1.96

x に戻す

x = 65 + 1.96·10 = 84.6 点

答え

x = 84.6 点
9.信頼区間

答え: E = 2.146

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 = 9, t = 2.262

誤差の幅

E = 2.262·3/√10 = 2.146

答え

E = 2.146
10.信頼区間

答え: n = 1537

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 = 1.96²·0.2·0.8/0.02² = 1537

切り上げる

n = 1537

答え

n = 1537
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 1.797

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 = (6·10.5² + 8·4²)/14 = 56.39
sp = 7.51

標準誤差

SE = 7.51·√(1/7 + 1/9) = 3.784

検定統計量

t = (112 − 105.2)/3.784 = 1.797

答え

t = 1.797

df = 14 のとき、両側 5% の臨界値は 2.145 です。|t| の方が小さいので、H₀ は棄却されません。

12.仮説検定と信頼区間

答え: n = 63

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 = (1.645·12/2.5)² = 62.35

切り上げる

n = 63

答え

n = 63
13.線形回帰と相関

答え: r = 0.9892

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。

偏差平方和・偏差積和

Sxy = 931 − 15·283/5 = 82
Sxx = 55 − 15²/5 = 10
Syy = 16705 − 283²/5 = 687.2

相関係数

r = 82/√(10·687.2) = 0.9892

答え

r = 0.9892
14.線形回帰と相関

答え: e = −1.519

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 = 305/6 = 50.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 46.5

回帰直線

b = 46.5/17.5 = 2.657
a = 50.83 − 2.657·5.5 = 36.22
ŷ = 36.22 + 2.657·x

予測値

ŷ = 36.22 + 2.657·3.5 = 45.52

残差

e = 44 − 45.52 = −1.519

答え

e = −1.519

点は直線より下にあります。

15.カイ二乗検定

答え: χ² = 1.7

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

日勤: 100·27/180 = 15, 100·72/180 = 40, 100·81/180 = 45
夜勤: 80·27/180 = 12, 80·72/180 = 32, 80·81/180 = 36

カイ二乗統計量

χ² = (15 − 15)²/15 + (44 − 40)²/40 + (41 − 45)²/45 + (12 − 12)²/12 + (28 − 32)²/32 + (40 − 36)²/36
χ² = 1.7

答え

χ² = 1.7

df = 2。α = 0.05 での臨界値は 5.991 なので、H₀(独立)は棄却されない。

16.カイ二乗検定

答え: χ² = 11.02

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

18~30 歳: 28, 12
31~50 歳: 70, 30
51 歳以上: 70, 30

カイ二乗統計量

χ² = (21 − 28)²/28 + (19 − 12)²/12 + (67 − 70)²/70 + (33 − 30)²/30 + (80 − 70)²/70 + (20 − 30)²/30
χ² = 11.02

判断

df = 2, χ²crit = 9.210
11.02 > 9.210

答え

χ² = 11.02

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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