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
25303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:34, 22, 29, 28, 55, 33, 35。

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。593.8 より大きい値の割合 P はいくつですか?

μ = 500σ = 75x = 593.8
P =
3.確率ふつう
n = 8k = 4N = ?

8 人のグループから 4 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 = 8k = 4
N =
4.確率むずかしい
€p(x)−30.8890.1570.02

ゲームの参加費は €3 です。確率 0.1 で €12、確率 0.02 で €60 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 = €3€12: p = 0.1€60: p = 0.02
E(G) = €
5.正規分布ふつう
5577P = ?

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。55 から 77 点 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 = 65σ = 10x1 = 55x2 = 77
P =
6.正規分布むずかしい
235240245250255260265g下端 75%

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。色つきの下位 75% が左側になるように、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 g75%
x = g
7.信頼区間ふつう
n = 16, s = 2.5LU = ?x̄ = 74E90%

16 個からなる標本の平均は 74、標準偏差は s = 2.5 です。母集団はほぼ正規分布に従います。 平均の 90% 信頼区間の上限を求めなさい。

n = 16x̄ = 74s = 2.590%t(15) = 1.753
上限 =
8.信頼区間むずかしい
n = 16Lσ = ?s = 7.695%

機械加工した 16 本の軸の直径の標本標準偏差は 7.6 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% 信頼区間の上限 σ を求めなさい。df = 15 のとき、χ² 分布の 2.5% は 6.262 より下に、2.5% は 27.488 より上にあります。

n = 16s = 7.6 µmχ² = 6.262, 27.488
σ = µm
9.仮説検定と信頼区間ふつう
1.46p = ?

ある母集団の平均は 50 であると主張されています。母標準偏差は 24 であることがわかっています。36 個の観測値からなる無作為標本の平均は 55.84 です。H₀: μ = 50 対 H₁: μ > 50 を検定します。p 値 p を求めなさい。

μ₀ = 50σ = 24n = 36x̄ = 55.84H₁: μ > μ₀
p =
10.仮説検定と信頼区間むずかしい
H₀H₁μ₀x̄cμ₀ + 5α = 0.01βσ = 26, 検出力 95%, n = ?

α = 0.01 の片側 z 検定で、平均の 5 単位のずれを検出力 95% で検出しなければなりません。標準偏差は 26 です。最小の標本サイズ n を求めなさい。

α = 0.01検出力 = 95%δ = 5σ = 26zα = 2.326zβ = 1.645
n =
11.線形回帰と相関ふつう
xy14535257277899711108xy510406080100

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
xy351447553657763xy46505560x = 5.5

表は x = 勉強時間 と y = 試験の得点 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。 x = 5.5 のときの ŷ を予測しなさい。

n = 5x = 5.5
ŷ =

3溶液

1.記述統計

答え: s = 10.39

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 = 236/7 = 33.71

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 0.2857² + (−11.71)² + (−4.714)² + (−5.714)² + 21.29² + (−0.7143)² + 1.286² = 647.4

標準偏差

s = √(647.4/6) = 10.39

答え

s = 10.39
2.記述統計

答え: P = 0.1056

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 = 1.25

標準正規分布表

Φ(1.25) = 0.8944
P = 1 − 0.8944 = 0.1056

答え

P = 0.1056
3.確率

答え: N = 70

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(8, 4) = (8·7·6·5)/(4·3·2·1) = 70

答え

N = 70
4.確率

答え: E(G) = −0.6 €

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: 9 (p = 0.1), 57 (p = 0.02), −3 (p = 0.88)

期待値

E(G) = 9·0.1 + 57·0.02 − 3·0.88 = −0.6 €

答え

E(G) = −0.6 €

負の値は、平均して損をすることを意味します。

5.正規分布

答え: P = 0.7263

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 = (55 − 65)/10 = −1
z₂ = (77 − 65)/10 = 1.2

間の面積

P = Φ(1.2) − Φ(−1) = 0.8849 − 0.1587 = 0.7263

答え

P = 0.7263
6.正規分布

答え: x = 253.4 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) = 0.75

表からの z

z ≈ 0.67

元の単位に戻す

x = 250 + 0.67·5 = 253.4 g

答え

x = 253.4 g
7.信頼区間

答え: 上限 = 75.1

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 = 15, t = 1.753

誤差の幅

E = 1.753·2.5/√16 = 1.096

区間

74 ± 1.096 → [72.9, 75.1]

答え

上限 = 75.1
8.信頼区間

答え: σ = 11.76 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 = 15·7.6² = 866.4

σ² の限界

866.4/27.488 = 31.52
866.4/6.262 = 138.4

σ の限界

σ = √138.4 = 11.76 µm

答え

σ = 11.76 µm

σ の 95% 区間:[5.614, 11.76] µm。

9.仮説検定と信頼区間

答え: p = 0.07215

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 = 24/√36 = 4
z = (55.84 − 50)/4 = 1.46

裾の面積

Φ(1.46) = 0.9279
1 − Φ(1.46) = 0.0721

p 値

p = 0.07215

答え

p = 0.07215

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: n = 427

検定に必要な標本サイズ:有意水準 α の片側 z 検定で、真のずれ δ を検出力 1 − β で検出するには、標準誤差が δ = (z_α + z_β)·σ/√n を満たす必要があるので、n = ((z_α + z_β)·σ/δ)² を切り上げます。

n について解く

n = ((2.326 + 1.645)·26/5)² = 426.4

切り上げる

n = 427

答え

n = 427
11.線形回帰と相関

答え: r = 0.9919

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 = 36/6 = 6
ȳ = 452/6 = 75.33

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 456
Syy = Σ(y − ȳ)² = 3019

相関係数

r = 456/√(70·3019) = 0.9919

答え

r = 0.9919
12.線形回帰と相関

答え: ŷ = 55.9

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 = 25/5 = 5
ȳ = 271/5 = 54.2

平方和と積和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 34

回帰直線

b = 34/10 = 3.4
a = 54.2 − 3.4·5 = 37.2
ŷ = 37.2 + 3.4·x

予測

ŷ = 37.2 + 3.4·5.5 = 55.9

答え

ŷ = 55.9

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