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 = (502 − 500)/40 = 0.05
z₂ = (520 − 500)/40 = 0.5
間の面積
P = Φ(0.5) − Φ(0.05) = 0.6915 − 0.5199 = 0.1715
答え
P = 0.1715
2.正規分布
答え: x = 56.6 点
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) = 0.2
表からの z
z ≈ −0.84
元の単位に戻す
x = 65 − 0.84·10 = 56.6 点
答え
x = 56.6 点
3.信頼区間
答え: 下限 = 109.8
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 = 24, t = 2.797
誤差の幅
E = 2.797·7.5/√25 = 4.196
区間
114 ± 4.196 → [109.8, 118.2]
答え
下限 = 109.8
4.信頼区間
答え: n = 651
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 = (1.645·31/2)² = 650.1
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 = 651
答え
n = 651
5.仮説検定と信頼区間
答え: p = 0.01786
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 = 8/√64 = 1
z = (247.9 − 250)/1 = −2.1
裾の面積
Φ(2.1) = 0.9821
1 − Φ(2.1) = 0.0179
p 値
p = 0.01786
答え
p = 0.01786
p ≤ 0.05 なので、有意水準 5% で H₀ は棄却されます。
6.仮説検定と信頼区間
答え: n = 390
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 = (1.645·12/1)² = 389.7
切り上げる
n = 390
答え
n = 390
7.線形回帰と相関
答え: r = 0.9629
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 = 33/6 = 5.5
ȳ = 242/6 = 40.33
平方和と積和
Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 58
Syy = Σ(y − ȳ)² = 207.3
相関係数
r = 58/√(17.5·207.3) = 0.9629
答え
r = 0.9629
8.線形回帰と相関
答え: e = −3.776
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 = 137/6 = 22.83
平方和と積和
Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 243
回帰直線
b = 243/70 = 3.471
a = 22.83 − 3.471·7 = −1.467
ŷ = −1.467 + 3.471·x
予測値
ŷ = −1.467 + 3.471·9 = 29.78
残差
e = 26 − 29.78 = −3.776
答え
e = −3.776
点は直線より下にあります。
9.カイ二乗検定
答え: χ² = 10.77
カイ二乗検定:観測度数 O と H₀ のもとでの期待度数 E を χ² = Σ(O − E)²/E で比べます。適合度検定:各カテゴリーで E = n·p、自由度 df = k − 1(データから推定したパラメータ 1 つごとにさらに 1 を引く)。r × c 表での独立性の検定:E = 行の合計 × 列の合計 / 総計、df = (r − 1)(c − 1)。χ² が選んだ α での臨界値を超えたら H₀ を棄却します。