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

在正偏态分布中(如收入):

  1. A没有极端分数
  2. B平均数大于中位数
  3. C平均数和中位数总是相等
  4. D平均数小于中位数
2.心理学研究方法困难

一项"智力"测验主要测量的是人们打字有多快。最明显缺乏的是哪种效度?

  1. A内部一致性
  2. B重测信度
  3. C结构效度
  4. D评分者间信度
3.描述统计中等
2530354045

求数据的样本标准差 s:32, 21, 45, 28, 23。

n = 5
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 5。数值低于 105 的比例 P 是多少?

μ = 100σ = 5x = 105
P =
5.概率中等
xp(x)100.35200.25300.15400.25μ = 23

对图中的分布,求 X 的标准差 σ。

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.35, 0.25, 0.15, 0.25
σ =
6.概率困难
€p(x)−50.69200.3950.01

一局游戏的参与费用为 €5。你以概率 0.3 赢得 €25,以概率 0.01 赢得 €100;其余情况什么也赢不到。赌注不退还。求每局的期望净收益 E(G)。

赌注 = €5€25: p = 0.3€100: p = 0.01
E(G) = €
7.正态分布中等
245.25254.25P = ?

袋装重量服从正态分布,均值为 250 g,标准差为 5 g。介于 245.25 和 254.25 g 之间的比例是多少?P 以小数表示。

μ = 250σ = 5x1 = 245.25x2 = 254.25
P =
8.正态分布困难
10 cm0X − Y?

一组人中男性的身高 X 与女性的身高 Y相互独立且服从正态分布:X 的均值为 180 cm,标准差为 10 cm,Y 的均值为 170 cm,标准差为 12 cm。求 X 大于 Y 的概率 P。z 取两位小数。

μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =
9.置信区间中等
n = 15, s = 9LUx̄ = 98E = ?95%

一个包含 15 个个体的样本,均值为 98,标准差 s = 9。总体近似服从正态分布。 求均值的 95% 置信区间的误差范围 E。

n = 15x̄ = 98s = 995%t(14) = 2.145
E =
10.置信区间困难
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.02595%

事先对缺陷产品的比例一无所知。 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 0.025?

p = 0.5E = 0.02595%
n =
11.假设检验与置信区间中等
−2.0452.045t = ?df = 29

比较两种教学方法。第 1 组:18 名学生,平均分 71,标准差 6。第 2 组:13 名学生,平均分 82.1,标准差 11.5。假设总体方差相等,使用合并方差的两样本 t 检验。取差值为 x̄₁ − x̄₂(第 1 组减第 2 组),求 H₀: μ₁ = μ₂ 的检验统计量 t。

n₁ = 18x̄₁ = 71s₁ = 6n₂ = 13x̄₂ = 82.1s₂ = 11.5
t =
12.假设检验与置信区间困难
μ₀x̄c

在 α = 0.05 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 47.6。 求第二类错误的概率 β,以百分比表示。

μ₀ = 50μ = 47.6σ = 12n = 36α = 0.05
β = %
13.线性回归与相关中等
xy125222320417516xy242025

表中给出 5 对观测值 x = 车龄(年) 和 y = 价格 (k€)。 已给出它们的各项和。由这些和求皮尔逊相关系数 r。

n = 5Σx = 15Σy = 100Σx² = 55Σy² = 2054Σxy = 277
r =
14.线性回归与相关困难
xy356459568674779880xy468607080x = 3.5

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 = 3.5 时的 ŷ。

n = 6x = 3.5
ŷ =
15.卡方检验中等
好转未好转合计新药301040安慰剂142640合计443680

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 = 802 × 2
χ² =
16.卡方检验困难
dfα = 0.05α = 0.0113.8416.63525.9919.21037.81511.34549.48813.277511.07015.086612.59216.812714.06718.475815.50720.090916.91921.6661018.30723.209

一个卡方拟合优度检验检验 9 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。 利用表格,求显著性水平 α = 0.01 下的临界值 χ²crit。

α = 0.01
χ²crit =

3溶液

1.心理学研究方法

答案: B · 平均数大于中位数

为什么是这个答案

右尾中少数极高的值使平均数高于中位数,这就是偏态数据常报告中位数的原因。

答案

B · 平均数大于中位数
2.心理学研究方法

答案: C · 结构效度

为什么是这个答案

结构效度是指一个测量是否真正反映了其背后的结构。一个测验可以很可靠,却测量了错误的东西。

答案

C · 结构效度
3.描述统计

答案: s = 9.524

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 = 149/5 = 29.8

离差平方

Σ(x − x̄)² = 2.2² + (−8.8)² + 15.2² + (−1.8)² + (−6.8)² = 362.8

标准差

s = √(362.8/4) = 9.524

答案

s = 9.524
4.描述统计

答案: P = 0.8413

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 = 1

标准正态分布表

Φ(1) = 0.8413
P = 0.8413

答案

P = 0.8413
5.概率

答案: σ = 11.87

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 = 10·0.35 + 20·0.25 + 30·0.15 + 40·0.25 = 23

平方的均值

E(X²) = 100·0.35 + 400·0.25 + 900·0.15 + 1600·0.25 = 670

方差

Var(X) = 670 − 23² = 141
σ = √141 = 11.87

答案

σ = 11.87
6.概率

答案: E(G) = 3.5 €

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。

净结果

G: 20 (p = 0.3), 95 (p = 0.01), −5 (p = 0.69)

期望值

E(G) = 20·0.3 + 95·0.01 − 5·0.69 = 3.5 €

答案

E(G) = 3.5 €

正值表示平均而言你会赢钱。

7.正态分布

答案: P = 0.6313

正态分布:把数值 x 换算成 z 分数 z = (x − μ)/σ,它表示离均值有多少个标准差。z 表(或 Φ(z))给出 z 左侧的面积,即 P(X < x)。右侧面积为 1 − Φ(z),两个值之间的面积等于它们左侧面积之差。

z 分数

z₁ = (245.25 − 250)/5 = −0.95
z₂ = (254.25 − 250)/5 = 0.85

中间面积

P = Φ(0.85) − Φ(−0.95) = 0.8023 − 0.1711 = 0.6313

答案

P = 0.6313
8.正态分布

答案: P = 0.7389

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 = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15.62 cm

标准化

z = (0 − 10)/15.62 = −0.64

概率

P = 1 − Φ(−0.64) = 0.7389

答案

P = 0.7389
9.置信区间

答案: E = 4.985

均值的置信区间:x̄ ± 误差范围。总体 σ 已知时,误差范围为 z·σ/√n;只有样本标准差 s 时,用自由度为 n − 1 的 t:t·s/√n。临界值:z = 1.645(90%)、1.96(95%)、2.576(99%)。要使误差范围不超过 E,需要 n ≥ (z·σ/E)²,并向上取整。

临界值

df = n − 1 = 14, t = 2.145

误差范围

E = 2.145·9/√15 = 4.985

答案

E = 4.985
10.置信区间

答案: n = 1537

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 = 1.96²·0.5·0.5/0.025² = 1537

向上取整

n = 1537

答案

n = 1537
11.假设检验与置信区间

答案: t = −3.502

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.

合并方差

sp² = (17·6² + 12·11.5²)/29 = 75.83
sp = 8.708

标准误

SE = 8.708·√(1/18 + 1/13) = 3.169

检验统计量

t = (71 − 82.1)/3.169 = −3.502

答案

t = −3.502

df = 29 时,双侧 5% 的临界值为 2.045;|t| 更大,所以拒绝 H₀。

12.假设检验与置信区间

答案: β = 67.18 %

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 − 1.645·2 = 46.71

真实均值下的 z

z = (46.71 − 47.6)/2 = −0.445

第二类错误

功效 = P(Z < −0.445) = 32.82%
β = 100% − 32.82% = 67.18%

答案

β = 67.18%
13.线性回归与相关

答案: r = −0.9898

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。

中心化后的和

Sxy = 277 − 15·100/5 = −23
Sxx = 55 − 15²/5 = 10
Syy = 2054 − 100²/5 = 54

相关系数

r = −23/√(10·54) = −0.9898

答案

r = −0.9898
14.线性回归与相关

答案: ŷ = 58.7

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 = 33/6 = 5.5
ȳ = 416/6 = 69.33

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 93

回归直线

b = 93/17.5 = 5.314
a = 69.33 − 5.314·5.5 = 40.1
ŷ = 40.1 + 5.314·x

预测

ŷ = 40.1 + 5.314·3.5 = 58.7

答案

ŷ = 58.7
15.卡方检验

答案: χ² = 12.93

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: 40·44/80 = 22, 40·36/80 = 18
安慰剂: 40·44/80 = 22, 40·36/80 = 18

卡方统计量

χ² = (30 − 22)²/22 + (10 − 18)²/18 + (14 − 22)²/22 + (26 − 18)²/18
χ² = 12.93

答案

χ² = 12.93

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: χ²crit = 18.48

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 = 9 − 1 − 1 = 7

表

χ²crit(df = 7, α = 0.01) = 18.475

答案

χ²crit = 18.475

若计算出的 χ² 大于该值,则拒绝 H₀。

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