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

15 項目の不安尺度のクロンバックのアルファが 0.88 です。これは何を示していますか?

  1. A尺度が不安に有意な効果を持つ
  2. B項目の内的一貫性が良好である
  3. C得点が 6 か月間安定している
  4. D尺度が将来の不安をよく予測する
2.心理学研究法むずかしい

睡眠時間が長い学生ほど成績が高いという研究結果があります。因果的な結論を最もよく可能にするデザインの変更はどれですか?

  1. Aより多くの学生に調査する
  2. B学生を異なる睡眠スケジュールに無作為に割り当てる
  3. C成績をより正確に測る
  4. D学生に睡眠を 2 回報告してもらい、2 つの報告を平均する
3.記述統計ふつう
20253035404550

データの標本標準偏差 s を求めなさい:20, 40, 41, 23, 48, 48, 51。

n = 7
s =
4.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 100、標準偏差 10 の正規分布に従います。90 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 100σ = 10x = 90
z =
5.確率ふつう
赤: 6青: 7

袋に赤玉 6 個と青玉 7 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?

6 / 7
P =
6.確率むずかしい
xp(x)100.3200.1300.35400.25μ

X は示された分布をもち、Y = 3X + 10 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.3, 0.1, 0.35, 0.25Y = 3X + 10
σY =
7.正規分布ふつう
−3−2−10123z−z から z の間の色つき面積 = 0.9736

標準正規曲線の下で、−z から z の間の色つき面積が 0.9736 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 = 0.9736
z =
8.正規分布むずかしい
μ = 100x = ?75%

IQ スコアは、平均 100 点、標準偏差 15 点 の正規分布に従います。全体の 75% がそれより下にある値 x(第 75 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 100σ = 15P = 75%
x = 点
9.信頼区間ふつう
n = 10, s = 18LU = ?x̄ = 86E95%

10 個からなる標本の平均は 86、標準偏差は s = 18 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 = 10x̄ = 86s = 1895%t(9) = 2.262
上限 =
10.信頼区間むずかしい
σ = 27, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 190%

母標準偏差は 27 です。平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 1 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 = 27E = 190%
n =
11.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.0932.093t = ?df = 19

2 つの指導法を比べます。グループ 1:6 人の学生、平均点 36.5、標準偏差 8.5。グループ 2:15 人の学生、平均点 22.7、標準偏差 9.5。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 = 6x̄₁ = 36.5s₁ = 8.5n₂ = 15x̄₂ = 22.7s₂ = 9.5
t =
12.仮説検定と信頼区間むずかしい
μ₀x̄c

H₀: μ = 50 対 H₁: μ > 50 の片側 z 検定を、α = 0.10、標本サイズ 25 で行います。標準偏差は 5 であることがわかっています。実際の平均は 52.1 です。 検定の検出力 1 − β をパーセントで求めなさい。

μ₀ = 50μ = 52.1σ = 5n = 25α = 0.10
1 − β = %
13.線形回帰と相関ふつう
xy274136228251031xy510102030

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
xy27466981410191222xy5105101520x = 7

表は x = 荷重 (kN) と y = 伸び (mm) 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 (7, 18) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 6(7, 18)
e =
15.カイ二乗検定ふつう
欠陥なし軽微重大合計日勤5102540夜勤13382980合計184854120

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 = 1202 × 3
χ² =
16.カイ二乗検定むずかしい

2 行 2 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。 この検定の自由度 df はいくつですか?

2 × 2
df =

3溶液

1.心理学研究法

答え: B · 項目の内的一貫性が良好である

これが答えになる理由

クロンバックのアルファは内的一貫性を推定します。約 0.7 以上の値が通常は受け入れられるとされます。それだけでは妥当性は示されません。

答え

B · 項目の内的一貫性が良好である
2.心理学研究法

答え: B · 学生を異なる睡眠スケジュールに無作為に割り当てる

これが答えになる理由

無作為割り当てによって睡眠を操作して初めて第三の変数が統制され、倫理的な制約の範囲内で因果推論が可能になります。

答え

B · 学生を異なる睡眠スケジュールに無作為に割り当てる
3.記述統計

答え: s = 12.43

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 = 271/7 = 38.71

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−18.71)² + 1.286² + 2.286² + (−15.71)² + 9.286² + 9.286² + 12.29² = 927.4

標準偏差

s = √(927.4/6) = 12.43

答え

s = 12.43
4.記述統計

答え: z = −1

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 = (90 − 100)/10 = −1

答え

z = −1
5.確率

答え: P = 0.1923

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 = 6/13 · 5/12 = 30/156 = 0.1923

答え

P = 0.1923
6.確率

答え: σY = 34.82

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。

X のばらつき

μ = 25.5, Var(X) = 134.8, σX = 11.61

一次変換

σY = |3|·11.61 = 34.82

答え

σY = 34.82

平均は変化します:E(Y) = 3·25.5 + 10 = 86.5。

7.正規分布

答え: z = 2.22

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 + 0.9736)/2 = 0.9868

z 表を逆に読む

表の中で 0.9868 を見つけ、z を読み取ります。

z = 2.22

答え

z = 2.22
8.正規分布

答え: x = 110.1 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) = 0.75 → z = 0.6745

x に戻す

x = 100 + 0.6745·15 = 110.12 点

答え

x = 110.12 点
9.信頼区間

答え: 上限 = 98.88

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 = 2.262·18/√10 = 12.88

区間

86 ± 12.88 → [73.12, 98.88]

答え

上限 = 98.88
10.信頼区間

答え: n = 1973

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 = (1.645·27/1)² = 1973

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 = 1973

答え

n = 1973
11.仮説検定と信頼区間

答え: t = 3.089

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 = (5·8.5² + 14·9.5²)/19 = 85.51
sp = 9.247

標準誤差

SE = 9.247·√(1/6 + 1/15) = 4.467

検定統計量

t = (36.5 − 22.7)/4.467 = 3.089

答え

t = 3.089

df = 19 のとき、両側 5% の臨界値は 2.093 です。|t| の方が大きいので、H₀ は棄却されます。

12.仮説検定と信頼区間

答え: 1 − β = 79.33 %

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 = 5/√25 = 1
x̄c = 50 + 1.282·1 = 51.28

真の平均のもとでの z

z = (51.28 − 52.1)/1 = −0.818

電力

検出力 = P(Z > −0.818) = 79.33%
1 − β = 79.33%

答え

1 − β = 79.33%
13.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9804

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 = 98/5 = 19.6

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 120
Syy = Σ(y − ȳ)² = 367.2

決定係数

r² = 120²/(40·367.2) = 0.9804

答え

r² = 0.9804

y の変動の約 98.04% が直線で説明されます。

14.線形回帰と相関

答え: e = 5.167

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 = 42/6 = 7
ȳ = 77/6 = 12.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 119

回帰直線

b = 119/70 = 1.7
a = 12.83 − 1.7·7 = 0.9333
ŷ = 0.9333 + 1.7·x

予測値

ŷ = 0.9333 + 1.7·7 = 12.83

残差

e = 18 − 12.83 = 5.167

答え

e = 5.167

点は直線より上にあります。

15.カイ二乗検定

答え: χ² = 7.708

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: 40·18/120 = 6, 40·48/120 = 16, 40·54/120 = 18
夜勤: 80·18/120 = 12, 80·48/120 = 32, 80·54/120 = 36

カイ二乗統計量

χ² = (5 − 6)²/6 + (10 − 16)²/16 + (25 − 18)²/18 + (13 − 12)²/12 + (38 − 32)²/32 + (29 − 36)²/36
χ² = 7.708

答え

χ² = 7.708

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

16.カイ二乗検定

答え: df = 1

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 = (2 − 1)·(2 − 1) = 1

答え

df = 1

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