心理学研究方法与统计:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 16 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

描述统计

平均数
x̄ = Σx/n
样本标准差
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
中位数
排序后数据的中间值
z 分数
z = (x − μ)/σ
正态分布
68% 落在 ±1σ 内,95% 落在 ±2σ 内

概率

补事件
P(not A) = 1 − P(A)
加法公式
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
独立事件
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
条件概率
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
二项分布
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

正态分布

z 分数
z = (x − μ)/σ
小于 x
P(X < x) = Φ(z)
大于 x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
介于两者之间
Φ(z2) − Φ(z1)
百分位数
x = μ + z·σ

方法

  1. 把数值换算为 z 分数:z = (x − μ)/σ。
  2. 查 Φ(z),即 z 左侧的面积。
  3. 右侧面积用 1 − Φ(z);区间面积用两个左侧面积相减。
  4. 求百分位数时反向计算:先由面积求 z,再求 x = μ + z·σ。

置信区间

σ 已知
x̄ ± z·σ/√n
σ 未知
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
临界 z 值
90%: 1.645, 95%: 1.96, 99%: 2.576
样本量
n = (z·σ/E)², rounded up

方法

  1. 在 z(已知总体 σ)和 t(只有样本 s,自由度为 n − 1)之间作出选择。
  2. 求该置信水平下的临界值。
  3. 误差限:E = 临界值 × 标准差/√n。
  4. 区间:x̄ ± E。

假设检验与置信区间

均值的 z 检验
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
均值的 t 检验
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
5% 双侧
若 |z| > 1.96 则拒绝 H0
置信区间
x̄ ± z·σ/√n

方法

  1. 写出 H₀ 和 H₁,并确定是单侧检验还是双侧检验。
  2. 计算检验统计量:(x̄ − μ₀)/(σ/√n),或者用 s 和 t。
  3. 与临界值比较,或求出 p 值。
  4. 若统计量超出临界值(p 小于 α),则拒绝 H₀,并用文字写出结论。

线性回归与相关

平方和
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
斜率
b = Sxy/Sxx
截距
a = ȳ − b·x̄
相关系数
r = Sxy/√(SxxSyy)
残差
e = y − ŷ

卡方检验

检验统计量
χ² = Σ(O − E)²/E
拟合优度
E = n·p, df = k − 1 − (estimated parameters)
独立性
E = row total × column total / grand total, df = (r − 1)(c − 1)
临界值(α = 0.05)
df 1: 3.841, 2: 5.991, 3: 7.815, 4: 9.488
决策
若 χ² > χ²crit,则拒绝 H0

2练习题

1.心理学研究方法中等

在内容分析中,评分者间信度是如何检验的?

  1. A事后询问参与者研究者对其材料的编码是否正确
  2. B让两名研究者对同一材料编码,然后比较结果
  3. C在同一天内对材料编码两次
  4. D使用更大的材料样本
2.心理学研究方法困难

为什么要报告科恩 d 等效应量指标?

  1. A它们说明有多少参与者退出
  2. B它们显示结果在选定的 alpha 水平上是否具有统计显著性
  3. C它们显示效应有多大,而不受样本量影响
  4. D它们取代了任何假设的必要性
3.描述统计中等
152025303540455055

求数据的样本标准差 s:59, 31, 48, 17, 54, 13, 32。

n = 7
s =
4.描述统计困难
z −2−1012

考试成绩服从正态分布,平均数为 70,标准差为 20。求成绩 100 的 z 分数 z。

μ = 70σ = 20x = 100
z =
5.概率中等
xp(x)00.2510.0520.330.240.2μ = 2.05

对图中的分布,求 X 的标准差 σ。

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0.25, 0.05, 0.3, 0.2, 0.2
σ =
6.概率困难
n = 12, p = 0.3: P(X = 1) = ?k0123456789101112

一份测试有 12 道选择题。一名靠猜的学生每题答对的概率为 0.3,相互独立。恰好答对 1 题的概率 P 是多少?

n = 12p = 0.3k = 1
P =
7.正态分布中等
1360 kg1312 kgT = X₁ + … + X₁₆?

带行李的乘客的质量相互独立,服从均值 85 kg、标准差 12 kg 的正态分布。求其中 16 个的总质量超过 1312 kg 的概率 P。z 取两位小数。

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 16> 1312 kg
P =
8.正态分布困难
35455565758595分顶部 15%

考试成绩 服从正态分布,均值为 65 分,标准差为 10 分。拖动截断值,使阴影的前 15% 位于其右侧。求截断值 x。

μ = 65 分σ = 10 分15%
x = 分
9.置信区间中等
x̄E₁ = 11.995%, n = 100x̄E₂ = ?90%, n = 100

基于 100 个观测值且 σ 已知的均值 95% 置信区间,其误差范围为 11.9。 用同样的数据计算 90% 区间,其误差范围 E₂ 是多少?

95%n₁ = 100E₁ = 11.990%
E₂ =
10.置信区间困难
μ₁ − μ₂, t(12) = 2.1790LUx̄₁ − x̄₂E = ?95%

对两种肥料进行试验。地块组 1:8 块地,平均产量 41.5 kg,标准差 9 kg。地块组 2:6 块地,均值 47 kg,标准差 4 kg。假设方差相等(合并 t,df = n₁ + n₂ − 2)。 求 μ₁ − μ₂ 的 95% 置信区间的误差范围 E。

n₁ = 8x̄₁ = 41.5s₁ = 9n₂ = 6x̄₂ = 47s₂ = 495%t(12) = 2.179
E = kg
11.假设检验与置信区间中等
t −2.01102.011

49 名学生的样本平均分为 200.9,样本标准差为 5。求 H₀: μ = 200 的检验统计量 t。

μ₀ = 200x̄ = 200.9s = 5n = 49
t =
12.假设检验与置信区间困难
μ₀x̄c

在 α = 0.01 下,用容量为 36 的样本对 H₀: μ = 50 与 H₁: μ > 50 进行单侧 z 检验;已知标准差为 12。实际上均值为 57。 求该检验的功效 1 − β,以百分比表示。

μ₀ = 50μ = 57σ = 12n = 36α = 0.01
1 − β = %
13.线性回归与相关中等
xy1493535697729741184xy5106080

表中给出 6 对观测值 x = 学习小时数 和 y = 考试成绩。 求最小二乘直线的决定系数 r²。

n = 6
r² =
14.线性回归与相关困难
xy259358463566670xy246606570x = 2.5

表中给出 5 对观测值 x = 学习小时数 和 y = 考试成绩。 使用最小二乘直线 ŷ = a + b·x。 新得到一个观测值 (2.5, 55)。求其残差 e = y − ŷ。

n = 5(2.5, 55)
e =
15.卡方检验中等
低中高合计城市194556120农村8272560合计277281180

列联表给出了观测频数。计算行变量与列变量独立性检验的卡方统计量 χ²。不使用连续性校正。

N = 1802 × 3
χ² =
16.卡方检验困难
合格不合格合计18–30 岁307010031–50 岁22588051 岁及以上265480合计78182260dfα = 0.05α = 0.0113.8416.63525.9919.21037.81511.34549.48813.277511.07015.086612.59216.812714.06718.475815.50720.090916.91921.6661018.30723.209

表中给出了观测频数。在 α = 0.05 下检验两个变量是否独立(不使用连续性校正)。计算检验统计量 χ²,再与表中的临界值比较。

N = 2603 × 2α = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究方法

答案: B · 让两名研究者对同一材料编码,然后比较结果

为什么是这个答案

如果独立的编码者对相同数据给出相似的编码(一致性或相关性高),说明编码方案具有信度。

答案

B · 让两名研究者对同一材料编码,然后比较结果
2.心理学研究方法

答案: C · 它们显示效应有多大,而不受样本量影响

为什么是这个答案

在大样本中,极小的效应也可能显著。效应量表示差异的大小,例如 d = 0.2 为小,0.5 为中,0.8 为大。

答案

C · 它们显示效应有多大,而不受样本量影响
3.描述统计

答案: s = 17.92

描述统计:平均数是总和除以 n;中位数是排序后数据的中间值(n 为偶数时取中间两个数的平均)。样本标准差 s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))。z 分数 z = (x − μ)/σ 表示某个值离平均数多少个标准差。

平均数

x̄ = 254/7 = 36.29

离差平方

Σ(x − x̄)² = 22.71² + (−5.286)² + 11.71² + (−19.29)² + 17.71² + (−23.29)² + (−4.286)² = 1927

标准差

s = √(1927/6) = 17.92

答案

s = 17.92
4.描述统计

答案: z = 1.5

描述统计:平均数是总和除以 n;中位数是排序后数据的中间值(n 为偶数时取中间两个数的平均)。样本标准差 s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))。z 分数 z = (x − μ)/σ 表示某个值离平均数多少个标准差。

标准化

z = (100 − 70)/20 = 1.5

答案

z = 1.5
5.概率

答案: σ = 1.431

离散随机变量:概率分布列出变量能取的每个值 x 及其概率 p(x);概率介于 0 和 1 之间,且总和为 1。期望值(均值)是 E(X) = Σx·p(x),即长期平均值。方差为 Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ²,标准差为 σ = √Var(X)。对线性变换 Y = aX + b:E(Y) = a·E(X) + b,Var(Y) = a²·Var(X),σY = |a|·σX;加上常数不会改变离散程度。

平均数

μ = 0·0.25 + 1·0.05 + 2·0.3 + 3·0.2 + 4·0.2 = 2.05

平方的均值

E(X²) = 0·0.25 + 1·0.05 + 4·0.3 + 9·0.2 + 16·0.2 = 6.25

方差

Var(X) = 6.25 − 2.05² = 2.048
σ = √2.048 = 1.431

答案

σ = 1.431
6.概率

答案: P = 0.07118

概率:在等可能结果下,P(A) = 有利结果数/总数。独立事件相乘:P(A 且 B) = P(A)·P(B)。补事件常常有用:P(至少一个) = 1 − P(一个都没有)。二项分布:在 n 次独立试验中,成功概率为 p,P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ。

二项分布公式

P(X = 1) = 12·0.31·0.711 = 12·0.3·0.01977 = 0.07118

答案

P = 0.07118
7.正态分布

答案: P = 0.8413

正态变量的和与差:若 X 和 Y 相互独立且服从正态分布,则 X + Y 与 X − Y 也服从正态分布。均值相加或相减:E(X ± Y) = μX ± μY。方差总是相加,差也是如此:Var(X ± Y) = σX² + σY²,所以 σ = √(σX² + σY²)。标准差从不直接相加。n 个独立同分布项的总和,均值为 n·μ,标准差为 σ·√n。然后照常标准化:z = (x − 均值)/σ,再查 Φ(z)。

总和的分布

μT = 1360 kg, σT = 12·√16 = 48 kg

标准化

z = (1312 − 1360)/48 = −1

概率

P = 1 − Φ(−1) = 0.8413

答案

P = 0.8413
8.正态分布

答案: x = 75.4 分

由面积反求 z:Φ(z) 是 z 左侧的面积。对于左尾面积 A,在表中找出使 Φ(z) = A 的 z。右尾面积 A 意味着 Φ(z) = 1 − A。−z 与 z 之间的中间面积 A 使每个尾部剩下 (1 − A)/2,所以 Φ(z) = (1 + A)/2。对于数值 x,用 x = μ + zσ。

左侧的面积

Φ(z) = 0.85

由表得到的 z

z ≈ 1.04

回到原来的单位

x = 65 + 1.04·10 = 75.4 分

答案

x = 75.4 分
9.置信区间

答案: E₂ = 9.988

Confidence interval for a mean: x̄ ± margin of error. With a known population σ the margin is z·σ/√n; with only the sample standard deviation s, use t with n − 1 degrees of freedom: t·s/√n. Critical values: z = 1.645 (90%), 1.96 (95%), 2.576 (99%). To get a margin E or smaller, you need n ≥ (z·σ/E)², rounded up.

误差范围之比

E₂/E₁ = (1.645/1.96)·√(100/100) = 0.8393

新的误差范围

E₂ = 11.9·0.8393 = 9.988

答案

E₂ = 9.988
10.置信区间

答案: E = 8.641 kg

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.

合并标准差

sp² = (7·9² + 5·4²)/12 = 53.92
sp = 7.343

误差范围

E = 2.179·7.343·√(1/8 + 1/6) = 8.641

答案

E = 8.641 kg
11.假设检验与置信区间

答案: t = 1.26

均值检验:检验统计量衡量样本均值离 H₀ 所声称的值有多少个标准误:σ 已知时 z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n),由样本估计时 t = (x̄ − μ₀)/(s/√n)。置信区间为 x̄ ±(临界值)·(标准误)。

标准误

SE = 5/√49 = 5/7 = 0.7143

检验统计量

t = (200.9 − 200)/0.7143 = 1.26

答案

t = 1.26
t0.025; df = 48 = 2.011

|t| < 2.011,所以在 5% 水平下不拒绝 H₀(双侧)。

12.假设检验与置信区间

答案: 1 − β = 87.98 %

检验功效:功效 = 1 − β,是 H₀ 为假时拒绝 H₀ 的概率。由 μ₀ 和 z_α 求出临界值 x̄c,再用真实均值计算落在 x̄c 以外的概率:z = (x̄c − μ)/(σ/√n)。

临界样本均值

SE = 12/√36 = 2
x̄c = 50 + 2.326·2 = 54.65

真实均值下的 z

z = (54.65 − 57)/2 = −1.174

功率

功效 = P(Z > −1.174) = 87.98%
1 − β = 87.98%

答案

1 − β = 87.98%
13.线性回归与相关

答案: r² = 0.9356

最小二乘回归:设 x̄ 和 ȳ 为均值,Sxx = Σ(x − x̄)²,Syy = Σ(y − ȳ)²,Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ),则直线 ŷ = a + b·x 的斜率 b = Sxy/Sxx,截距 a = ȳ − b·x̄,因此它总是通过 (x̄, ȳ)。皮尔逊相关系数 r = Sxy/√(Sxx·Syy) 介于 −1 与 1 之间;r² 是 y 的变异中能被该直线解释的比例。

均值

x̄ = 36/6 = 6
ȳ = 401/6 = 66.83

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 241
Syy = Σ(y − ȳ)² = 886.8

决定系数

r² = 241²/(70·886.8) = 0.9356

答案

r² = 0.9356

y 的变异中约有 93.56% 可由该直线解释。

14.线性回归与相关

答案: e = −3.7

最小二乘回归:设 x̄ 和 ȳ 为均值,Sxx = Σ(x − x̄)²,Syy = Σ(y − ȳ)²,Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ),则直线 ŷ = a + b·x 的斜率 b = Sxy/Sxx,截距 a = ȳ − b·x̄,因此它总是通过 (x̄, ȳ)。皮尔逊相关系数 r = Sxy/√(Sxx·Syy) 介于 −1 与 1 之间;r² 是 y 的变异中能被该直线解释的比例。

均值

x̄ = 20/5 = 4
ȳ = 316/5 = 63.2

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 30

回归直线

b = 30/10 = 3
a = 63.2 − 3·4 = 51.2
ŷ = 51.2 + 3·x

预测值

ŷ = 51.2 + 3·2.5 = 58.7

残差

e = 55 − 58.7 = −3.7

答案

e = −3.7

该点位于直线下方。

15.卡方检验

答案: χ² = 0.9514

卡方检验:用 χ² = Σ(O − E)²/E 比较观测频数 O 与 H₀ 下的期望频数 E。拟合优度检验:每个类别 E = n·p,df = k − 1(每由数据估计一个参数再减一)。r × c 列联表的独立性检验:E = 行合计 × 列合计 / 总计,df = (r − 1)(c − 1)。当 χ² 超过所选 α 下的临界值时拒绝 H₀。

期望频数

城市: 120·27/180 = 18, 120·72/180 = 48, 120·81/180 = 54
农村: 60·27/180 = 9, 60·72/180 = 24, 60·81/180 = 27

卡方统计量

χ² = (19 − 18)²/18 + (45 − 48)²/48 + (56 − 54)²/54 + (8 − 9)²/9 + (27 − 24)²/24 + (25 − 27)²/27
χ² = 0.9514

答案

χ² = 0.9514

df = 2。在 α = 0.05 时临界值为 5.991,所以 H₀(独立)不被拒绝。

16.卡方检验

答案: χ² = 0.4762

卡方检验:用 χ² = Σ(O − E)²/E 比较观测频数 O 与 H₀ 下的期望频数 E。拟合优度检验:每个类别 E = n·p,df = k − 1(每由数据估计一个参数再减一)。r × c 列联表的独立性检验:E = 行合计 × 列合计 / 总计,df = (r − 1)(c − 1)。当 χ² 超过所选 α 下的临界值时拒绝 H₀。

期望频数

18–30 岁: 30, 70
31–50 岁: 24, 56
51 岁及以上: 24, 56

卡方统计量

χ² = (30 − 30)²/30 + (70 − 70)²/70 + (22 − 24)²/24 + (58 − 56)²/56 + (26 − 24)²/24 + (54 − 56)²/56
χ² = 0.4762

决策

df = 2, χ²crit = 5.991
0.4762 < 5.991

答案

χ² = 0.4762

χ² 低于临界值,所以不拒绝 H₀:没有显著证据表明两者相关。

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