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
202530354045505560

データの標本標準偏差 s を求めなさい:25, 60, 17, 29, 31, 37。

n = 6
s =
2.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 100、標準偏差 20 の正規分布に従います。90 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 100σ = 20x = 90
P =
3.確率ふつう
xp(x)10.320.230.3540.15μ = 2.35

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, 4p(x): 0.3, 0.2, 0.35, 0.15
Var(X) =
4.確率むずかしい
n = 5, p = 0.6: P(X = 4) = ?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 0.6 で正解します。ちょうど 4 問正解する確率 P はいくつですか?

n = 5p = 0.6k = 4
P =
5.正規分布ふつう
23.344.3P = ?

配達時間は、平均 32 min、標準偏差 6 min の正規分布に従います。23.3 から 44.3 min 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 = 32σ = 6x1 = 23.3x2 = 44.3
P =
6.正規分布むずかしい
380420460500540580620h上端 20%

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。色つきの上位 20% 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 = 500 hσ = 40 h20%
x = h
7.信頼区間ふつう
n = 7, s = 5LUx̄ = 26.5E = ?95%

7 個からなる標本の平均は 26.5、標準偏差は s = 5 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 95% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 7x̄ = 26.5s = 595%t(6) = 2.447
E =
8.信頼区間むずかしい
σ = 15, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2.599%

母標準偏差は 15 です。平均の 99% 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 = 15E = 2.599%
n =
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 1:40 個の部品の標本の平均長さは 146 mm で、ラインの既知の標準偏差は 8 mm です。ライン 2:80 個の部品の標本の平均は 142.6 mm、既知の標準偏差は 9 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 = 40x̄₁ = 146 mmσ₁ = 8 mmn₂ = 80x̄₂ = 142.6 mmσ₂ = 9 mm
z =
10.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −2.57602.576

25 回の測定の標本平均は 115.7 です。母標準偏差は 8 です。平均の 99% 信頼区間の下限 L を求めなさい。

x̄ = 115.7σ = 8n = 2599%
L =
11.線形回帰と相関ふつう
xy231341447550650756xy246304050

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
xy227328438532635738xy2463035x = 6.5

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。 新しい観測値 (6.5, 41) が得られました。その残差 e = y − ŷ を求めなさい。

n = 6(6.5, 41)
e =

3溶液

1.記述統計

答え: s = 14.73

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 = 199/6 = 33.17

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−8.167)² + 26.83² + (−16.17)² + (−4.167)² + (−2.167)² + 3.833² = 1085

標準偏差

s = √(1085/5) = 14.73

答え

s = 14.73
2.記述統計

答え: P = 0.3085

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 = −0.5

標準正規分布表

Φ(−0.5) = 0.3085
P = 0.3085

答え

P = 0.3085
3.確率

答え: Var(X) = 1.128

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 = 1·0.3 + 2·0.2 + 3·0.35 + 4·0.15 = 2.35

2 乗の平均

E(X²) = 1·0.3 + 4·0.2 + 9·0.35 + 16·0.15 = 6.65

分散

Var(X) = 6.65 − 2.35² = 1.128

答え

Var(X) = 1.128
4.確率

答え: P = 0.2592

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 = 4) = 5·0.64·0.41 = 5·0.1296·0.4 = 0.2592

答え

P = 0.2592
5.正規分布

答え: P = 0.9063

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 = (23.3 − 32)/6 = −1.45
z₂ = (44.3 − 32)/6 = 2.05

間の面積

P = Φ(2.05) − Φ(−1.45) = 0.9798 − 0.07353 = 0.9063

答え

P = 0.9063
6.正規分布

答え: x = 534 h

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) = 0.8

表からの z

z ≈ 0.84

元の単位に戻す

x = 500 + 0.84·40 = 534 h

答え

x = 534 h
7.信頼区間

答え: E = 4.624

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 = 6, t = 2.447

誤差の幅

E = 2.447·5/√7 = 4.624

答え

E = 4.624
8.信頼区間

答え: n = 239

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 = (2.576·15/2.5)² = 238.9

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 = 239

答え

n = 239
9.仮説検定と信頼区間

答え: z = 2.104

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 = √(8²/40 + 9²/80) = √2.613 = 1.616

検定統計量

z = (146 − 142.6)/1.616 = 2.104

答え

z = 2.104

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

10.仮説検定と信頼区間

答え: L = 111.6

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 = 2.576·8/√25 = 4.122

区間の端

L = 115.7 − 4.122 = 111.6

答え

L = 111.6
11.線形回帰と相関

答え: r = 0.9468

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 = 27/6 = 4.5
ȳ = 275/6 = 45.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 77.5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 382.8

相関係数

r = 77.5/√(17.5·382.8) = 0.9468

答え

r = 0.9468
12.線形回帰と相関

答え: e = 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 = 27/6 = 4.5
ȳ = 198/6 = 33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 35

回帰直線

b = 35/17.5 = 2
a = 33 − 2·4.5 = 24
ŷ = 24 + 2·x

予測値

ŷ = 24 + 2·6.5 = 37

残差

e = 41 − 37 = 4

答え

e = 4

点は直線より上にあります。

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