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
1012141618202224262830

データの標本標準偏差 s を求めなさい:10, 23, 29, 30, 17, 17, 29。

n = 7
s =
2.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 60、標準偏差 10 の正規分布に従います。64 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 60σ = 10x = 64
z =
3.確率ふつう
xp(x)10.0520.3530.3540.1550.1μ = 2.9

示された分布について、X の分散 Var(X) を求めなさい。

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0.05, 0.35, 0.35, 0.15, 0.1
Var(X) =
4.確率むずかしい
n = 9, p = 0.6: P(X ≤ 1) = ?k0123456789

部品を 9 個試験し、各部品は独立に確率 0.6 で故障します。故障が多くとも 1 個である確率 P はいくつですか?

n = 9p = 0.6
P =
5.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.9599

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.9599 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 = 0.9599
z =
6.正規分布むずかしい
μ = 250x = ?90%

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 90% がそれより下にある値 x(第 90 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 250σ = 5P = 90%
x = g
7.信頼区間ふつう
n = 8, s = 19LU = ?x̄ = 34E90%

8 個からなる標本の平均は 34、標準偏差は s = 19 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 90% 信頼区間の上限を求めなさい。

n = 8x̄ = 34s = 1990%t(7) = 1.895
上限 =
8.信頼区間むずかしい
μ₁ − μ₂, t(24) = 2.7970L = ?Ux̄₁ − x̄₂E99%

2 種類の肥料を試験します。区画群 1:5 区画、平均収量 88 kg、標準偏差 1.5 kg。区画群 2:21 区画、平均 80.5 kg、標準偏差 8.5 kg。等分散を仮定します(プールした t、df = n₁ + n₂ − 2)。 μ₁ − μ₂ の 99% 信頼区間の下限を求めなさい。

n₁ = 5x̄₁ = 88s₁ = 1.5n₂ = 21x̄₂ = 80.5s₂ = 8.599%t(24) = 2.797
下限 = kg
9.仮説検定と信頼区間ふつう
−1.961.96z = ?

2 つの生産ラインで同じ部品をつくっています。ライン 1:100 個の部品の標本の平均長さは 141.5 mm で、ラインの既知の標準偏差は 4 mm です。ライン 2:80 個の部品の標本の平均は 139.8 mm、既知の標準偏差は 10 mm です。差を x̄₁ − x̄₂(ライン 1 − ライン 2)として、H₀: μ₁ = μ₂ の検定統計量 z を求めなさい。

n₁ = 100x̄₁ = 141.5 mmσ₁ = 4 mmn₂ = 80x̄₂ = 139.8 mmσ₂ = 10 mm
z =
10.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 5, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 0.595%

平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 0.5 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 5 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 5E = 0.595%
n =
11.線形回帰と相関ふつう
xy124220320414514xy24152025

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 =
12.線形回帰と相関むずかしい
xy1855215924792779309833110xy2025306080100x = 28.5

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 = 28.5 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 6x = 28.5
ŷ =

3溶液

1.記述統計

答え: s = 7.712

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 = 155/7 = 22.14

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−12.14)² + 0.8571² + 6.857² + 7.857² + (−5.143)² + (−5.143)² + 6.857² = 356.9

標準偏差

s = √(356.9/6) = 7.712

答え

s = 7.712
2.記述統計

答え: z = 0.4

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 = (64 − 60)/10 = 0.4

答え

z = 0.4
3.確率

答え: Var(X) = 1.09

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 = 1·0.05 + 2·0.35 + 3·0.35 + 4·0.15 + 5·0.1 = 2.9

2 乗の平均

E(X²) = 1·0.05 + 4·0.35 + 9·0.35 + 16·0.15 + 25·0.1 = 9.5

分散

Var(X) = 9.5 − 2.9² = 1.09

答え

Var(X) = 1.09
4.確率

答え: P = 0.003801

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。

故障 0 個と 1 個

P(X = 0) = 0.49 = 0.0002621
P(X = 1) = 9·0.6·0.48 = 0.003539

足し合わせる

P = 0.0002621 + 0.003539 = 0.003801

答え

P = 0.003801
5.正規分布

答え: z = −1.75

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 − 0.9599 = 0.0401

z 表を逆に読む

表の中で 0.0401 を見つけ、z を読み取ります。

z = −1.75

答え

z = −1.75
6.正規分布

答え: x = 256.4 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) = 0.9 → z = 1.282

x に戻す

x = 250 + 1.282·5 = 256.41 g

答え

x = 256.41 g
7.信頼区間

答え: 上限 = 46.73

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 = 7, t = 1.895

誤差の幅

E = 1.895·19/√8 = 12.73

区間

34 ± 12.73 → [21.27, 46.73]

答え

上限 = 46.73
8.信頼区間

答え: 下限 = −3.333 kg

Interval for a difference: estimate ± critical value × standard error. For two independent means with known σ: SE = √(σ₁²/n₁ + σ₂²/n₂) and z. With equal unknown variances: pooled s_p and t with n₁ + n₂ − 2 degrees of freedom. For paired data, work with the differences: d̄ ± t·s_d/√n.

プールした標準偏差

sp² = (4·1.5² + 20·8.5²)/24 = 60.58
sp = 7.784

誤差の幅

E = 2.797·7.784·√(1/5 + 1/21) = 10.83

区間

7.5 ± 10.83 → [−3.333, 18.33]

答え

下限 = −3.333 kg
9.仮説検定と信頼区間

答え: z = 1.432

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.

差の標準誤差

SE = √(4²/100 + 10²/80) = √1.41 = 1.187

検定統計量

z = (141.5 − 139.8)/1.187 = 1.432

答え

z = 1.432

|z| < 1.96 なので、有意水準 5%(両側)で H₀ は棄却されません。

10.仮説検定と信頼区間

答え: n = 385

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 = (1.96·5/0.5)² = 384.2

切り上げる

n = 385

答え

n = 385
11.線形回帰と相関

答え: r² = 0.8989

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 = 92/5 = 18.4

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −26
Syy = Σ(y − ȳ)² = 75.2

決定係数

r² = −26²/(10·75.2) = 0.8989

答え

r² = 0.8989

y の変動の約 89.89% が直線で説明されます。

12.線形回帰と相関

答え: ŷ = 91.2

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 = 153/6 = 25.5
ȳ = 480/6 = 80

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 588

回帰直線

b = 588/157.5 = 3.733
a = 80 − 3.733·25.5 = −15.2
ŷ = −15.2 + 3.733·x

予測

ŷ = −15.2 + 3.733·28.5 = 91.2

答え

ŷ = 91.2

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