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

哪种设计在每个条件中使用不同的参与者?

  1. A被试内设计
  2. B用同一批人的配对设计
  3. C独立组设计
  4. D重复测量设计
2.心理学研究方法困难

一项只以职业篮球运动员为对象的研究发现,身高与智商的相关为 r = 0.05,而在一般人群中这一相关更高。最能解释这种弱相关的是什么?

  1. A需求特征
  2. B智商测验的天花板效应
  3. C全距受限
  4. D向平均数回归
3.描述统计中等
152025303540455055

求数据的样本标准差 s:33, 51, 57, 55, 21, 15。

n = 6
s =
4.描述统计困难
z −2−1012

某量服从正态分布,平均数为 100,标准差为 20。数值低于 84 的比例 P 是多少?

μ = 100σ = 20x = 84
P =
5.概率中等
n = 9k = 3N = ?

从 9 人中选出 3 人组成委员会,有多少种选法 N?顺序无关。

n = 9k = 3
N =
6.概率困难
xp(x)00.3510.320.35μ

X 的分布如图所示,Y = 0.5X + 4。求 Y 的标准差 σY。

x: 0, 1, 2p(x): 0.35, 0.3, 0.35Y = 0.5X + 4
σY =
7.正态分布中等
−3−2−10123z−z 与 z 之间的阴影面积 = 0.6211

拖动 z,使标准正态曲线下 −z 与 z 之间的阴影面积为 0.6211。求 z,保留两位小数。

A = 0.6211
z =
8.正态分布困难
0.05 mm0D − d?

孔径 D 服从均值 25.05 mm、标准差 0.02 mm 的正态分布。轴径 d 独立,服从均值 25 mm、标准差 0.02 mm 的正态分布。随机选取的一根轴在 D − d > 0 时能装入。求它能装入的概率 P。z 取两位小数。

孔: μ = 25.05 mm, σ = 0.02 mm轴: μ = 25 mm, σ = 0.02 mm
P =
9.置信区间中等
μ₁ − μ₂0LU = ?x̄₁ − x̄₂E90%

比较两种手机型号的电池续航时间。型号 1:30 部手机,均值 78.5 h,已知标准差 12 h。型号 2:60 部手机,均值 87.5 h,已知标准差 9 h。 求 μ₁ − μ₂ 的 90% 置信区间的上限。

n₁ = 30x̄₁ = 78.5 hσ₁ = 12 hn₂ = 60x̄₂ = 87.5 hσ₂ = 9 h90%
上限 = h
10.置信区间困难
p ≈ 0.6, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0595%

一项预研究表明,约有 0.6 的产品有缺陷。 必须检验多少件产品 n,才能使比例的 95% 置信区间的误差范围不超过 0.05?

p ≈ 0.6E = 0.0595%
n =
11.假设检验与置信区间中等
t −2.13102.131

16 名学生的样本平均分为 105.3,样本标准差为 10。求 H₀: μ = 100 的检验统计量 t。

μ₀ = 100x̄ = 105.3s = 10n = 16
t =
12.假设检验与置信区间困难
−1.961.96z = ?

在一项试验中,接受治疗 A 的 120 名患者中有 30 人康复,接受治疗 B 的 300 名患者中有 51 人康复。用合并比例求 H₀: p₁ = p₂ 的检验统计量 z。

x₁ = 30n₁ = 120x₂ = 51n₂ = 300
z =
13.线性回归与相关中等
xy338444552655760xy46405060

表中给出 5 对观测值 x = 广告支出 (k€) 和 y = 销售额 (k€)。 求皮尔逊相关系数 r。

n = 5
r =
14.线性回归与相关困难
xy36957679291081111913139xy510100x = 12

表中给出 6 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。 预测 x = 12 时的 ŷ。

n = 6x = 12
ŷ =
15.卡方检验中等
好转未好转合计新药5446100安慰剂8931120合计14377220

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 = 2202 × 2
χ² =
16.卡方检验困难

一个卡方拟合优度检验检验 6 个类别的频数是否服从泊松分布,其均值由同一组数据估计。 该检验的自由度 df 是多少?

k = 6
df =

3溶液

1.心理学研究方法

答案: C · 独立组设计

为什么是这个答案

独立组设计中每个条件的参与者不同,可避免顺序效应,但存在被试变量的风险。

答案

C · 独立组设计
2.心理学研究方法

答案: C · 全距受限

为什么是这个答案

当样本只覆盖某个变量很窄的范围时,涉及该变量的相关就会降低。篮球运动员都很高,因此身高变化很小。

答案

C · 全距受限
3.描述统计

答案: s = 18.22

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 = 232/6 = 38.67

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−5.667)² + 12.33² + 18.33² + 16.33² + (−17.67)² + (−23.67)² = 1659

标准差

s = √(1659/5) = 18.22

答案

s = 18.22
4.描述统计

答案: P = 0.2119

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 = −0.8

标准正态分布表

Φ(−0.8) = 0.2119
P = 0.2119

答案

P = 0.2119
5.概率

答案: N = 84

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。

组合

C(9, 3) = (9·8·7)/(3·2·1) = 84

答案

N = 84
6.概率

答案: σY = 0.4183

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。

X 的离散程度

μ = 1, Var(X) = 0.7, σX = 0.8367

线性变换

σY = |0.5|·0.8367 = 0.4183

答案

σY = 0.4183

均值确实会改变:E(Y) = 0.5·1 + 4 = 4.5。

7.正态分布

答案: z = 0.88

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。

z 左侧的面积

Φ(z) = (1 + 0.6211)/2 = 0.8106

反向查 z 表

在表中找到 0.8106,读出 z。

z = 0.88

答案

z = 0.88
8.正态分布

答案: P = 0.9616

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)。

差的分布

μ = 25.05 − 25 = 0.05 mm, σ = 0.02828 mm

标准化

z = (0 − 0.05)/0.02828 = −1.77

概率

P = 1 − Φ(−1.77) = 0.9616

答案

P = 0.9616
9.置信区间

答案: 上限 = −4.921 h

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.

点估计

x̄₁ − x̄₂ = 78.5 − 87.5 = −9

标准误

SE = √(12²/30 + 9²/60) = 2.48

误差范围

E = 1.645·2.48 = 4.079

区间

−9 ± 4.079 → [−13.08, −4.921]

答案

上限 = −4.921 h

区间不包含 0,所以两个均值有显著差异。

10.置信区间

答案: n = 369

Confidence interval for a proportion: p̂ ± z·√(p̂(1 − p̂)/n), where p̂ = x/n. To reach a margin E you need n ≥ z²·p(1 − p)/E², rounded up; without a prior estimate use p = 0.5, which gives the largest n.

解出 n

n = 1.96²·0.6·0.4/0.05² = 368.8

向上取整

n = 369

答案

n = 369
11.假设检验与置信区间

答案: t = 2.12

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 = 10/√16 = 10/4 = 2.5

检验统计量

t = (105.3 − 100)/2.5 = 2.12

答案

t = 2.12
t0.025; df = 15 = 2.131

|t| < 2.131,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: z = 1.877

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.

样本比例

p̂₁ = 30/120 = 0.25
p̂₂ = 51/300 = 0.17
p̂ = 81/420 = 0.1929

H₀ 下的标准误

SE = √(0.1929·0.8071·(1/120 + 1/300)) = 0.04262

检验统计量

z = (0.25 − 0.17)/0.04262 = 1.877

答案

z = 1.877

|z| < 1.96,所以在 5% 水平下不拒绝 H₀(双侧)。

13.线性回归与相关

答案: r = 0.9897

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 = 25/5 = 5
ȳ = 249/5 = 49.8

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 55
Syy = Σ(y − ȳ)² = 308.8

相关系数

r = 55/√(10·308.8) = 0.9897

答案

r = 0.9897
14.线性回归与相关

答案: ŷ = 128.8

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 = 48/6 = 8
ȳ = 603/6 = 100.5

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 495

回归直线

b = 495/70 = 7.071
a = 100.5 − 7.071·8 = 43.93
ŷ = 43.93 + 7.071·x

预测

ŷ = 43.93 + 7.071·12 = 128.8

答案

ŷ = 128.8
15.卡方检验

答案: χ² = 9.751

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

新药: 100·143/220 = 65, 100·77/220 = 35
安慰剂: 120·143/220 = 78, 120·77/220 = 42

卡方统计量

χ² = (54 − 65)²/65 + (46 − 35)²/35 + (89 − 78)²/78 + (31 − 42)²/42
χ² = 9.751

答案

χ² = 9.751

df = 1。在 α = 0.05 时临界值为 3.841,所以 H₀(独立)被拒绝。

16.卡方检验

答案: df = 4

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。

自由度

df = 6 − 1 − 1 = 4

答案

df = 4

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