統計学入門:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、12 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

2演習問題

1.記述統計ふつう
2530354045

データの標本標準偏差 s を求めなさい:27, 45, 25, 29, 22, 26。

n = 6
s =
2.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 170、標準偏差 12 の正規分布に従います。174.8 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 170σ = 12x = 174.8
P =
3.確率ふつう
xp(x)00.210.120.3530.35μ = 1.85

示された分布について、X の標準偏差 σ を求めなさい。

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0.2, 0.1, 0.35, 0.35
σ =
4.確率むずかしい
xp(x)00.3510.2520.130.1540.15μ

X は示された分布をもち、Y = 10X + 20 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0.35, 0.25, 0.1, 0.15, 0.15Y = 10X + 20
σY =
5.正規分布ふつう
4983P = ?

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。49 から 83 点 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 = 65σ = 10x1 = 49x2 = 83
P =
6.正規分布むずかしい
4 s0X − Y?

走者 A の周回タイム X と走者 B の周回タイム Y は独立な正規変数です:X は平均 52 s、標準偏差 4 s、Y は平均 48 s、標準偏差 3 s です。X が Y より大きい確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

μX = 52 s, σX = 4 sμY = 48 s, σY = 3 s
P =
7.信頼区間ふつう
n = 30, s = 8.5L = ?Ux̄ = 69E90%

30 個からなる標本の平均は 69、標準偏差は s = 8.5 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 90% 信頼区間の下限を求めなさい。

n = 30x̄ = 69s = 8.590%t(29) = 1.699
下限 =
8.信頼区間むずかしい
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0399%

不良品の割合について事前には何もわかっていません。 割合の 99% 信頼区間の誤差の幅を 0.03 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 = 0.5E = 0.0399%
n =
9.仮説検定と信頼区間ふつう
−0.860.86p = ?

ある母集団の平均は 120 であると主張されています。母標準偏差は 10 であることがわかっています。100 個の観測値からなる無作為標本の平均は 119.14 です。H₀: μ = 120 対 H₁: μ ≠ 120 を検定します。p 値 p を求めなさい。

μ₀ = 120σ = 10n = 100x̄ = 119.14H₁: μ ≠ μ₀
p =
10.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.64501.645

25 回の測定の標本平均は 75.6 です。母標準偏差は 5 です。平均の 90% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 75.6σ = 5n = 2590%
L =
11.線形回帰と相関ふつう
xy274126198261033xy510102030

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。 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 = 30Σy = 97Σx² = 220Σy² = 2319Σxy = 714
r =
12.線形回帰と相関むずかしい
xy151355562761967xy550556065ŷ = 65

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。 最小二乗直線 ŷ = a + b·x を用います。 直線が ŷ = 65 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 5ŷ = 65
x =

3溶液

1.記述統計

答え: s = 8.173

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 = 174/6 = 29

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−2)² + 16² + (−4)² + 0² + (−7)² + (−3)² = 334

標準偏差

s = √(334/5) = 8.173

答え

s = 8.173
2.記述統計

答え: P = 0.6554

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 = 0.4

標準正規分布表

Φ(0.4) = 0.6554
P = 0.6554

答え

P = 0.6554
3.確率

答え: σ = 1.108

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 = 0·0.2 + 1·0.1 + 2·0.35 + 3·0.35 = 1.85

2 乗の平均

E(X²) = 0·0.2 + 1·0.1 + 4·0.35 + 9·0.35 = 4.65

分散

Var(X) = 4.65 − 1.85² = 1.228
σ = √1.228 = 1.108

答え

σ = 1.108
4.確率

答え: σY = 14.66

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 = 1.5, Var(X) = 2.15, σX = 1.466

一次変換

σY = |10|·1.466 = 14.66

答え

σY = 14.66

平均は変化します:E(Y) = 10·1.5 + 20 = 35。

5.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 = (49 − 65)/10 = −1.6
z₂ = (83 − 65)/10 = 1.8

間の面積

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

答え

P = 0.9093
6.正規分布

答え: P = 0.7881

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。

差の分布

μ = 52 − 48 = 4 s, σ = 5 s

標準化する

z = (0 − 4)/5 = −0.8

確率

P = 1 − Φ(−0.8) = 0.7881

答え

P = 0.7881
7.信頼区間

答え: 下限 = 66.36

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 = 29, t = 1.699

誤差の幅

E = 1.699·8.5/√30 = 2.637

区間

69 ± 2.637 → [66.36, 71.64]

答え

下限 = 66.36
8.信頼区間

答え: n = 1844

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 = 2.576²·0.5·0.5/0.03² = 1843

切り上げる

n = 1844

答え

n = 1844
9.仮説検定と信頼区間

答え: p = 0.3898

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.

検定統計量

SE = σ/√n = 10/√100 = 1
z = (119.14 − 120)/1 = −0.86

裾の面積

Φ(0.86) = 0.8051
1 − Φ(0.86) = 0.1949

p 値

p = 2·0.1949 = 0.3898

答え

p = 0.3898

p > 0.05 なので、有意水準 5% で H₀ は棄却されません。

10.仮説検定と信頼区間

答え: L = 73.95

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 = 1.645·5/√25 = 1.645

区間の端

L = 75.6 − 1.645 = 73.95

答え

L = 73.95
11.線形回帰と相関

答え: r = 0.9982

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 = 714 − 30·97/5 = 132
Sxx = 220 − 30²/5 = 40
Syy = 2319 − 97²/5 = 437.2

相関係数

r = 132/√(40·437.2) = 0.9982

答え

r = 0.9982
12.線形回帰と相関

答え: x = 8.053

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 = 25/5 = 5
ȳ = 296/5 = 59.2

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 76

回帰直線

b = 76/40 = 1.9
a = 59.2 − 1.9·5 = 49.7
ŷ = 49.7 + 1.9·x

x について解く

x = (65 − 49.7)/1.9 = 8.053

答え

x = 8.053

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