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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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
2530354045505560

データの標本標準偏差 s を求めなさい:54, 45, 56, 60, 38, 25。

n = 6
s =
2.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 500、標準偏差 50 の正規分布に従います。475 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 500σ = 50x = 475
z =
3.確率ふつう
n = 14k = 5N = ?

14 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 = 14k = 5
N =
4.確率むずかしい
n = 8, p = 0.5: P(X ≤ 1) = ?k012345678

部品を 8 個試験し、各部品は独立に確率 0.5 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 = 8p = 0.5
P =
5.正規分布ふつう
105 s101.8 sX + Y?

X は平均 60 s、標準偏差 5 s の正規分布に従い、Y は X と独立で、平均 45 s、標準偏差 4 s の正規分布に従います。X + Y が 101.8 s 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。

μX = 60, σX = 5μY = 45, σY = 4X + Y > 101.8 s
P =
6.正規分布むずかしい
0.05 mm0D − d?

穴の直径 D は平均 25.05 mm、標準偏差 0.02 mm の正規分布に従います。軸の直径 d は D と独立で、平均 25 mm、標準偏差 0.015 mm の正規分布に従います。無作為に選んだ軸は D − d > 0 のとき穴にはまります。はまる確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

穴: μ = 25.05 mm, σ = 0.02 mm軸: μ = 25 mm, σ = 0.015 mm
P =
7.信頼区間ふつう
n = 25, s = 6LU = ?x̄ = 53E99%

25 個からなる標本の平均は 53、標準偏差は s = 6 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 99% 信頼区間の上限を求めなさい。

n = 25x̄ = 53s = 699%t(24) = 2.797
上限 =
8.信頼区間むずかしい
σ = 20, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2.595%

母標準偏差は 20 です。平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 2.5 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 = 20E = 2.595%
n =
9.仮説検定と信頼区間ふつう
−1.661.66p = ?

ある母集団の平均は 250 であると主張されています。母標準偏差は 5 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 250.83 です。H₀: μ = 250 対 H₁: μ ≠ 250 を検定します。p 値 p を求めなさい。

μ₀ = 250σ = 5n = 100x̄ = 250.83H₁: μ ≠ μ₀
p =
10.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.9601.96

16 回の測定の標本平均は 53.1 です。母標準偏差は 5 です。平均の 95% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 53.1σ = 5n = 1695%
L =
11.線形回帰と相関ふつう
xy35256176898211851396xy5106080100

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。 ピアソンの相関係数 r を求めなさい。

n = 6
r =
12.線形回帰と相関むずかしい
xy122221317414515xy241520x = 3.5

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 ŷ = a + b·x を用います。 新しい観測値 (3.5, 21) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 5(3.5, 21)
e =

3溶液

1.記述統計

答え: s = 13.16

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 = 278/6 = 46.33

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 7.667² + (−1.333)² + 9.667² + 13.67² + (−8.333)² + (−21.33)² = 865.3

標準偏差

s = √(865.3/5) = 13.16

答え

s = 13.16
2.記述統計

答え: z = −0.5

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 = (475 − 500)/50 = −0.5

答え

z = −0.5
3.確率

答え: N = 2002

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(14, 5) = (14·13·12·11·10)/(5·4·3·2·1) = 2002

答え

N = 2002
4.確率

答え: P = 0.03516

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) = 0.58 = 0.003906
P(X = 1) = 8·0.5·0.57 = 0.03125

足し合わせる

P = 0.003906 + 0.03125 = 0.03516

答え

P = 0.03516
5.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。

和の分布

μ = 105 s, σ = √(5² + 4²) = 6.403 s

標準化する

z = (101.8 − 105)/6.403 = −0.5

上側確率

P = 1 − Φ(−0.5) = 1 − 0.3085 = 0.6915

答え

P = 0.6915
6.正規分布

答え: P = 0.9772

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 = 25.05 − 25 = 0.05 mm, σ = 0.025 mm

標準化する

z = (0 − 0.05)/0.025 = −2

確率

P = 1 − Φ(−2) = 0.9772

答え

P = 0.9772
7.信頼区間

答え: 上限 = 56.36

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 = 24, t = 2.797

誤差の幅

E = 2.797·6/√25 = 3.356

区間

53 ± 3.356 → [49.64, 56.36]

答え

上限 = 56.36
8.信頼区間

答え: n = 246

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 = (1.96·20/2.5)² = 245.9

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 = 246

答え

n = 246
9.仮説検定と信頼区間

答え: p = 0.09691

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 = 5/√100 = 0.5
z = (250.83 − 250)/0.5 = 1.66

裾の面積

Φ(1.66) = 0.9515
1 − Φ(1.66) = 0.0485

p 値

p = 2·0.0485 = 0.09691

答え

p = 0.09691

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 = 50.65

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 = 1.96·5/√16 = 2.45

区間の端

L = 53.1 − 2.45 = 50.65

答え

L = 50.65
11.線形回帰と相関

答え: r = 0.9925

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 = 48/6 = 8
ȳ = 444/6 = 74

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 306
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1358

相関係数

r = 306/√(70·1358) = 0.9925

答え

r = 0.9925
12.線形回帰と相関

答え: e = 4.25

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 = 89/5 = 17.8

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −21

回帰直線

b = −21/10 = −2.1
a = 17.8 − (−2.1)·3 = 24.1
ŷ = 24.1 − 2.1·x

予測値

ŷ = 24.1 + (−2.1)·3.5 = 16.75

残差

e = 21 − 16.75 = 4.25

答え

e = 4.25

点は直線より上にあります。

ExamProblems · examproblems.com/courses/statistics-1