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

完全な正規分布ではどうなりますか?

  1. A平均値、中央値、最頻値が等しい
  2. B平均値は常に中央値より大きい
  3. C最頻値は最低得点である
  4. Dほとんどの得点が裾にある
2.心理学研究法むずかしい

心理学における「再現性の危機」とは何を指しますか?

  1. A提出された追試研究をすべて却下することが、雑誌に法的に義務づけられていること
  2. B実験の参加者が不足していること
  3. C発表された多くの知見が新しい研究で再現されないこと
  4. D許可なく質問紙をコピーすること
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:15, 40, 43, 25, 25。

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 20 の正規分布に従います。70 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 100σ = 20x = 70
P =
5.確率ふつう
n = 9k = 5N = ?

9 人のグループから 5 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 = 9k = 5
N =
6.確率むずかしい
n = 8, p = 0.7: P(X = 3) = ?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 0.7 で正解します。ちょうど 3 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 8p = 0.7k = 3
P =
7.正規分布ふつう
120 kg121.3 kgT = X₁ + … + X₁₀?

箱 の質量は互いに独立で、平均 12 kg、標準偏差 0.8 kg の正規分布に従います。そのうち 10 個の合計質量が 121.3 kg 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。

μ = 12 kgσ = 0.8 kgn = 10> 121.3 kg
P =
8.正規分布むずかしい
μ = 32x = ?80%

配達時間は、平均 32 min、標準偏差 6 min 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 = 32σ = 6P = 80%
x = min
9.信頼区間ふつう
n = 9, s = 13LUx̄ = 44.5E = ?99%

9 個からなる標本の平均は 44.5、標準偏差は s = 13 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 99% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 9x̄ = 44.5s = 1399%t(8) = 3.355
E =
10.信頼区間むずかしい
σ = 6, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 295%

母標準偏差は 6 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 = 6E = 295%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.3652.365t = ?df = 7

8 人の従業員が研修の前後にタイピングテストを受けます。各人について差 d = 後 − 前(1 分あたりの単語数)を記録します。差の平均は −1.65、差の標準偏差は 2.6 です。H₀: μd = 0 の対応のある検定統計量 t を求めなさい。

n = 8d̄ = −1.65sd = 2.6
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.9601.96

49 回の測定の標本平均は 500.2 です。母標準偏差は 4 です。平均の 95% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 500.2σ = 4n = 4995%
L =
13.線形回帰と相関ふつう
xy127224325422519xy242025

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。 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
xy145317712083231072611529128xy1520253050100x = 27.5

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。 x = 27.5 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 6x = 27.5
ŷ =
15.カイ二乗検定ふつう
バス自転車車合計学生21253480職員19313080合計405664160

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 × 3
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい
はいいいえ合計ライン 1223860ライン 2162440ライン 3421860合計8080160dfα = 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 = 1603 × 2α = 0.01
χ² =

3溶液

1.心理学研究法

答え: A · 平均値、中央値、最頻値が等しい

これが答えになる理由

正規分布は左右対称の釣鐘型なので、3 つの代表値はすべて中央に位置します。

答え

A · 平均値、中央値、最頻値が等しい
2.心理学研究法

答え: C · 発表された多くの知見が新しい研究で再現されないこと

これが答えになる理由

大規模な追試プロジェクトでは、多くの効果がより小さいか存在しないことが示され、出版バイアス、小標本、柔軟すぎる分析と関連づけられました。事前登録はその対策の一つです。

答え

C · 発表された多くの知見が新しい研究で再現されないこと
3.記述統計

答え: s = 11.65

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 = 148/5 = 29.6

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−14.6)² + 10.4² + 13.4² + (−4.6)² + (−4.6)² = 543.2

標準偏差

s = √(543.2/4) = 11.65

答え

s = 11.65
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) = 0.06681
P = 0.06681

答え

P = 0.06681
5.確率

答え: N = 126

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(9, 5) = (9·8·7·6·5)/(5·4·3·2·1) = 126

答え

N = 126
6.確率

答え: P = 0.04668

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 = 3) = 56·0.73·0.35 = 56·0.343·0.00243 = 0.04668

答え

P = 0.04668
7.正規分布

答え: P = 0.305

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 = 120 kg, σT = 0.8·√10 = 2.53 kg

標準化する

z = (121.3 − 120)/2.53 = 0.51

確率

P = 1 − Φ(0.51) = 0.305

答え

P = 0.305
8.正規分布

答え: x = 37.05 min

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 = 32 + 0.8416·6 = 37.05 min

答え

x = 37.05 min
9.信頼区間

答え: E = 14.54

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 = 3.355

誤差の幅

E = 3.355·13/√9 = 14.54

答え

E = 14.54
10.信頼区間

答え: n = 35

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 = (1.96·6/2)² = 34.57

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 = 35

答え

n = 35
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = −1.795

Testing a mean: the test statistic measures how many standard errors the sample mean lies from the value claimed in H₀: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) when σ is known, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) when it is estimated from the sample. A confidence interval is x̄ ± (critical value)·(standard error).

差の平均の標準誤差

SE = 2.6/√8 = 0.9192

検定統計量

t = −1.65/0.9192 = −1.795

答え

t = −1.795

df = 7 のとき、両側 5% の臨界値は 2.365 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: L = 499.1

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 = 1.96·4/√49 = 1.12

区間の端

L = 500.2 − 1.12 = 499.1

答え

L = 499.1
13.線形回帰と相関

答え: r = −0.9333

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 = 117/5 = 23.4

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −18
Syy = Σ(y − ȳ)² = 37.2

相関係数

r = −18/√(10·37.2) = −0.9333

答え

r = −0.9333
14.線形回帰と相関

答え: ŷ = 123.2

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 = 129/6 = 21.5
ȳ = 557/6 = 92.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 796.5

回帰直線

b = 796.5/157.5 = 5.057
a = 92.83 − 5.057·21.5 = −15.9
ŷ = −15.9 + 5.057·x

予測

ŷ = −15.9 + 5.057·27.5 = 123.2

答え

ŷ = 123.2
15.カイ二乗検定

答え: χ² = 0.9929

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

学生: 80·40/160 = 20, 80·56/160 = 28, 80·64/160 = 32
職員: 80·40/160 = 20, 80·56/160 = 28, 80·64/160 = 32

カイ二乗統計量

χ² = (21 − 20)²/20 + (25 − 28)²/28 + (34 − 32)²/32 + (19 − 20)²/20 + (31 − 28)²/28 + (30 − 32)²/32
χ² = 0.9929

答え

χ² = 0.9929

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 = 15.47

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, 30
ライン 2: 20, 20
ライン 3: 30, 30

カイ二乗統計量

χ² = (22 − 30)²/30 + (38 − 30)²/30 + (16 − 20)²/20 + (24 − 20)²/20 + (42 − 30)²/30 + (18 − 30)²/30
χ² = 15.47

判断

df = 2, χ²crit = 9.210
15.47 > 9.210

答え

χ² = 15.47

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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