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
152025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:12, 51, 48, 31, 53, 20, 58。

n = 7
s =
2.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 500、標準偏差 75 の正規分布に従います。575 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 500σ = 75x = 575
P =
3.確率ふつう
xp(x)00.1510.3520.1530.340.05μ = 1.75

示された分布について、X の分散 Var(X) を求めなさい。

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0.15, 0.35, 0.15, 0.3, 0.05
Var(X) =
4.確率むずかしい
€p(x)−50.69200.3450.01

ゲームの参加費は €5 です。確率 0.3 で €25、確率 0.01 で €50 を獲得し、それ以外では何も獲得しません。賭け金は戻りません。1 ゲームあたりの純利得の期待値 E(G) を求めなさい。

賭け金 = €5€25: p = 0.3€50: p = 0.01
E(G) = €
5.正規分布ふつう
200 g201.3 gT = X₁ + … + X₅?

ボルト の質量は互いに独立で、平均 40 g、標準偏差 1.2 g の正規分布に従います。そのうち 5 個の合計質量が 201.3 g 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 = 40 gσ = 1.2 gn = 5> 201.3 g
P =
6.正規分布むずかしい
μ = 65x = ?97.5%

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。全体の 97.5% がそれより下にある値 x(第 97.5 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 65σ = 10P = 97.5%
x = 点
7.信頼区間ふつう
n = 15, s = 5.5LUx̄ = 60.5E = ?90%

15 個からなる標本の平均は 60.5、標準偏差は s = 5.5 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 90% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 15x̄ = 60.5s = 5.590%t(14) = 1.761
E =
8.信頼区間むずかしい
n = 10σ = ?Us = 5.895%

機械加工した 10 本の軸の直径の標本標準偏差は 5.8 µm です。直径が正規分布に従うと仮定して、母標準偏差の 95% 信頼区間の下限 σ を求めなさい。df = 9 のとき、χ² 分布の 2.5% は 2.7 より下に、2.5% は 19.023 より上にあります。

n = 10s = 5.8 µmχ² = 2.7, 19.023
σ = µm
9.仮説検定と信頼区間ふつう
−2.0642.064t = ?df = 24

2 つの指導法を比べます。グループ 1:12 人の学生、平均点 117.5、標準偏差 3.5。グループ 2:14 人の学生、平均点 112.8、標準偏差 8.5。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 = 12x̄₁ = 117.5s₁ = 3.5n₂ = 14x̄₂ = 112.8s₂ = 8.5
t =
10.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.64501.645

81 回の測定の標本平均は 198.7 です。母標準偏差は 15 です。平均の 90% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 198.7σ = 15n = 8190%
L =
11.線形回帰と相関ふつう
xy126223323420513610xy24610152025

表は x = 車の年数(年) と y = 価格(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
xy24945166487310841294xy5106080x = 7

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。 最小二乗直線 ŷ = a + b·x を用います。 x = 7 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 6x = 7
ŷ =

3溶液

1.記述統計

答え: s = 17.96

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 = 273/7 = 39

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−27)² + 12² + 9² + (−8)² + 14² + (−19)² + 19² = 1936

標準偏差

s = √(1936/6) = 17.96

答え

s = 17.96
2.記述統計

答え: P = 0.8413

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

標準正規分布表

Φ(1) = 0.8413
P = 0.8413

答え

P = 0.8413
3.確率

答え: Var(X) = 1.388

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 = 0·0.15 + 1·0.35 + 2·0.15 + 3·0.3 + 4·0.05 = 1.75

2 乗の平均

E(X²) = 0·0.15 + 1·0.35 + 4·0.15 + 9·0.3 + 16·0.05 = 4.45

分散

Var(X) = 4.45 − 1.75² = 1.388

答え

Var(X) = 1.388
4.確率

答え: E(G) = 3 €

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。

純利得の結果

G: 20 (p = 0.3), 45 (p = 0.01), −5 (p = 0.69)

期待値

E(G) = 20·0.3 + 45·0.01 − 5·0.69 = 3 €

答え

E(G) = 3 €

正の値は、平均して得をすることを意味します。

5.正規分布

答え: P = 0.3156

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 = 200 g, σT = 1.2·√5 = 2.683 g

標準化する

z = (201.3 − 200)/2.683 = 0.48

確率

P = 1 − Φ(0.48) = 0.3156

答え

P = 0.3156
6.正規分布

答え: x = 84.6 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) = 0.975 → z = 1.96

x に戻す

x = 65 + 1.96·10 = 84.6 点

答え

x = 84.6 点
7.信頼区間

答え: E = 2.501

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 = 14, t = 1.761

誤差の幅

E = 1.761·5.5/√15 = 2.501

答え

E = 2.501
8.信頼区間

答え: σ = 3.989 µm

分散の区間:(n − 1)s²/σ² は自由度 n − 1 の χ² 分布に従います。σ² の 95% 区間は、(n − 1)s² を上側の χ² 値(その上に 2.5%)で割った値から、下側の χ² 値(その下に 2.5%)で割った値までです。σ の区間は両方の限界の平方根です。s に関して対称ではありません。

平方和

(n − 1)s² = 9·5.8² = 302.8

σ² の限界

302.8/19.023 = 15.92
302.8/2.7 = 112.1

σ の限界

σ = √15.92 = 3.989 µm

答え

σ = 3.989 µm

σ の 95% 区間:[3.989, 10.59] µm。

9.仮説検定と信頼区間

答え: t = 1.786

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 = (11·3.5² + 13·8.5²)/24 = 44.75
sp = 6.69

標準誤差

SE = 6.69·√(1/12 + 1/14) = 2.632

検定統計量

t = (117.5 − 112.8)/2.632 = 1.786

答え

t = 1.786

df = 24 のとき、両側 5% の臨界値は 2.064 です。|t| の方が小さいので、H₀ は棄却されません。

10.仮説検定と信頼区間

答え: L = 196

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 = 1.645·15/√81 = 2.742

区間の端

L = 198.7 − 2.742 = 196

答え

L = 196
11.線形回帰と相関

答え: r = −0.9578

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 = 21/6 = 3.5
ȳ = 115/6 = 19.17

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −56.5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 198.8

相関係数

r = −56.5/√(17.5·198.8) = −0.9578

答え

r = −0.9578
12.線形回帰と相関

答え: ŷ = 69.17

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 = 415/6 = 69.17

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 333

回帰直線

b = 333/70 = 4.757
a = 69.17 − 4.757·7 = 35.87
ŷ = 35.87 + 4.757·x

予測

ŷ = 35.87 + 4.757·7 = 69.17

答え

ŷ = 69.17

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