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
1520253035404550

データの標本標準偏差 s を求めなさい:15, 41, 47, 18, 19, 52。

n = 6
s =
2.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 50、標準偏差 15 の正規分布に従います。56 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 50σ = 15x = 56
P =
3.確率ふつう
xp(x)10.220.2530.3540.150.1μ = 2.65

示された分布について、X の標準偏差 σ を求めなさい。

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0.2, 0.25, 0.35, 0.1, 0.1
σ =
4.確率むずかしい
n = 5, p = 0.25: P(X = 3) = ?k012345

あるテストには選択問題が 5 問あります。当てずっぽうで答える学生は、各問を独立に確率 0.25 で正解します。ちょうど 3 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 5p = 0.25k = 3
P =
5.正規分布ふつう
480550P = ?

電池の寿命は、平均 500 h、標準偏差 40 h の正規分布に従います。480 から 550 h 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 = 500σ = 40x1 = 480x2 = 550
P =
6.正規分布むずかしい
235240245250255260265g上端 15%

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。色つきの上位 15% が右側になるように、しきい値をドラッグします。しきい値 x を求めなさい。

μ = 250 gσ = 5 g15%
x = g
7.信頼区間ふつう
n = 13, s = 18L = ?Ux̄ = 75E95%

13 個からなる標本の平均は 75、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% 信頼区間の下限を求めなさい。

n = 13x̄ = 75s = 1895%t(12) = 2.179
下限 =
8.信頼区間むずかしい
σ = 29, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 0.595%

母標準偏差は 29 です。平均の 95% 信頼区間の誤差の幅を 0.5 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 = 29E = 0.595%
n =
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 1:11 人の学生、平均点 108、標準偏差 3。グループ 2:15 人の学生、平均点 106、標準偏差 10.5。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 = 11x̄₁ = 108s₁ = 3n₂ = 15x̄₂ = 106s₂ = 10.5
t =
10.仮説検定と信頼区間むずかしい
σ = 15, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 390%

平均の 90% 信頼区間の誤差の幅を 3 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 15 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

σ = 15E = 390%
n =
11.線形回帰と相関ふつう
xy149251357462579679xy24650607080

表は x = 勉強時間 と y = 試験の得点 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
xy1775209023106261082913332149xy202530100150ŷ = 124

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。 直線が ŷ = 124 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 124
x =

3溶液

1.記述統計

答え: s = 16.49

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 = 192/6 = 32

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−17)² + 9² + 15² + (−14)² + (−13)² + 20² = 1360

標準偏差

s = √(1360/5) = 16.49

答え

s = 16.49
2.記述統計

答え: P = 0.3446

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 = 1 − 0.6554 = 0.3446

答え

P = 0.3446
3.確率

答え: σ = 1.195

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 = 1·0.2 + 2·0.25 + 3·0.35 + 4·0.1 + 5·0.1 = 2.65

2 乗の平均

E(X²) = 1·0.2 + 4·0.25 + 9·0.35 + 16·0.1 + 25·0.1 = 8.45

分散

Var(X) = 8.45 − 2.65² = 1.427
σ = √1.427 = 1.195

答え

σ = 1.195
4.確率

答え: P = 0.08789

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。

二項分布の公式

P(X = 3) = 10·0.253·0.752 = 10·0.01563·0.5625 = 0.08789

答え

P = 0.08789
5.正規分布

答え: P = 0.5858

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 = (480 − 500)/40 = −0.5
z₂ = (550 − 500)/40 = 1.25

間の面積

P = Φ(1.25) − Φ(−0.5) = 0.8944 − 0.3085 = 0.5858

答え

P = 0.5858
6.正規分布

答え: x = 255.2 g

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。

左側の面積

Φ(z) = 0.85

表からの z

z ≈ 1.04

元の単位に戻す

x = 250 + 1.04·5 = 255.2 g

答え

x = 255.2 g
7.信頼区間

答え: 下限 = 64.12

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 = 12, t = 2.179

誤差の幅

E = 2.179·18/√13 = 10.88

区間

75 ± 10.88 → [64.12, 85.88]

答え

下限 = 64.12
8.信頼区間

答え: n = 12924

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 = (1.96·29/0.5)² = 12923

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 = 12924

答え

n = 12924
9.仮説検定と信頼区間

答え: t = 0.6107

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 = (10·3² + 14·10.5²)/24 = 68.06
sp = 8.25

標準誤差

SE = 8.25·√(1/11 + 1/15) = 3.275

検定統計量

t = (108 − 106)/3.275 = 0.6107

答え

t = 0.6107

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: n = 68

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 = (1.645·15/3)² = 67.65

切り上げる

n = 68

答え

n = 68
11.線形回帰と相関

答え: r = 0.9582

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 = 377/6 = 62.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 119.5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 888.8

相関係数

r = 119.5/√(17.5·888.8) = 0.9582

答え

r = 0.9582
12.線形回帰と相関

答え: x = 27.4

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 = 147/6 = 24.5
ȳ = 661/6 = 110.2

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 751.5

回帰直線

b = 751.5/157.5 = 4.771
a = 110.2 − 4.771·24.5 = −6.733
ŷ = −6.733 + 4.771·x

x について解く

x = (124 − (−6.733))/4.771 = 27.4

答え

x = 27.4

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