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
2025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:18, 55, 28, 52, 28, 16, 20。

n = 7
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 5 の正規分布に従います。103 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 100σ = 5x = 103
P =
3.確率ふつう
xp(x)10.2520.3530.240.2μ = 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): 0.25, 0.35, 0.2, 0.2
Var(X) =
4.確率むずかしい
xp(x)10.1520.3530.2540.25μ

X は示された分布をもち、Y = 3X + 4 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0.15, 0.35, 0.25, 0.25Y = 3X + 4
σY =
5.正規分布ふつう
105 s111.4 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 111.4 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 > 111.4 s
P =
6.正規分布むずかしい
μ = 500x = ?5%

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。全体の 5% がそれより下にある値 x(第 5 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 500σ = 40P = 5%
x = h
7.信頼区間ふつう
n = 12, sd​ = 2.20LUd̄ = 3.9E = ?99%

12 人の患者の血圧を治療の前後に測定します。差 d = 前 − 後(mmHg)の平均は 3.9、標準偏差は 2.2 です。 差の平均の 99% 信頼区間の誤差の幅 E を求めなさい。

n = 12d̄ = 3.9sd = 2.299%t(11) = 3.106
E = mmHg
8.信頼区間むずかしい
σ = 29, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 399%

母標準偏差は 29 です。平均の 99% 信頼区間の誤差の幅を 3 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 = 399%
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 1:16 人の学生、平均点 52、標準偏差 2。グループ 2:10 人の学生、平均点 47.4、標準偏差 9。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 = 16x̄₁ = 52s₁ = 2n₂ = 10x̄₂ = 47.4s₂ = 9
t =
10.仮説検定と信頼区間むずかしい
z −1.64501.645

100 回の測定の標本平均は 99.2 です。母標準偏差は 4 です。平均の 90% 信頼区間の上限 U を求めなさい。

x̄ = 99.2σ = 4n = 10090%
U =
11.線形回帰と相関ふつう
xy133243343454563xy24405060

表は x = 広告費(k€) と y = 売上高(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
xy144252353459566667xy2465060ŷ = 52

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。 直線が ŷ = 52 と予測するのは、どの値 x のときですか?

n = 6ŷ = 52
x =

3溶液

1.記述統計

答え: s = 16.07

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 = 217/7 = 31

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−13)² + 24² + (−3)² + 21² + (−3)² + (−15)² + (−11)² = 1550

標準偏差

s = √(1550/6) = 16.07

答え

s = 16.07
2.記述統計

答え: P = 0.7257

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 = 0.6

標準正規分布表

Φ(0.6) = 0.7257
P = 0.7257

答え

P = 0.7257
3.確率

答え: Var(X) = 1.127

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 = 1·0.25 + 2·0.35 + 3·0.2 + 4·0.2 = 2.35

2 乗の平均

E(X²) = 1·0.25 + 4·0.35 + 9·0.2 + 16·0.2 = 6.65

分散

Var(X) = 6.65 − 2.35² = 1.127

答え

Var(X) = 1.127
4.確率

答え: σY = 3.059

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。

X のばらつき

μ = 2.6, Var(X) = 1.04, σX = 1.02

一次変換

σY = |3|·1.02 = 3.059

答え

σY = 3.059

平均は変化します:E(Y) = 3·2.6 + 4 = 11.8。

5.正規分布

答え: P = 0.1587

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 = (111.4 − 105)/6.403 = 1

上側確率

P = 1 − Φ(1) = 1 − 0.8413 = 0.1587

答え

P = 0.1587
6.正規分布

答え: x = 434.2 h

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) = 0.05 → z = −1.645

x に戻す

x = 500 + −1.645·40 = 434.2 h

答え

x = 434.2 h
7.信頼区間

答え: E = 1.973 mmHg

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.

臨界値

df = 11, t = 3.106

誤差の幅

E = 3.106·2.2/√12 = 1.973

答え

E = 1.973 mmHg
8.信頼区間

答え: n = 621

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 = (2.576·29/3)² = 620.1

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 = 621

答え

n = 621
9.仮説検定と信頼区間

答え: t = 1.99

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 = (15·2² + 9·9²)/24 = 32.88
sp = 5.734

標準誤差

SE = 5.734·√(1/16 + 1/10) = 2.311

検定統計量

t = (52 − 47.4)/2.311 = 1.99

答え

t = 1.99

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: U = 99.86

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 = 1.645·4/√100 = 0.658

区間の端

U = 99.2 + 0.658 = 99.86

答え

U = 99.86
11.線形回帰と相関

答え: r² = 0.9461

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 = 236/5 = 47.2

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 71
Syy = Σ(y − ȳ)² = 532.8

決定係数

r² = 71²/(10·532.8) = 0.9461

答え

r² = 0.9461

y の変動の約 94.61% が直線で説明されます。

12.線形回帰と相関

答え: x = 2.462

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 = 341/6 = 56.83

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 81.5

回帰直線

b = 81.5/17.5 = 4.657
a = 56.83 − 4.657·3.5 = 40.53
ŷ = 40.53 + 4.657·x

x について解く

x = (52 − 40.53)/4.657 = 2.462

答え

x = 2.462

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