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

一项只以美国本科生为对象的研究可能缺乏:

  1. A内部一致性
  2. B评分者间信度
  3. C总体效度
  4. D内容效度
2.心理学研究方法困难

一项 2 × 3 析因方差分析显示,某药物能改善年轻人的记忆,但不能改善老年人的记忆。这发现了什么?

  1. A药物与年龄之间的交互作用
  2. B只有年龄的主效应
  3. C第一类错误
  4. D地板效应
3.描述统计中等
152025303540455055

求数据的样本标准差 s:11, 58, 59, 59, 46, 17, 16。

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 500,标准差为 40。求成绩 468 的 z 分数 z。

μ = 500σ = 40x = 468
z =
5.概率中等
红球: 4蓝球: 7

袋中有 4 个红球和 7 个蓝球。不放回地依次摸出两个球。两个都是红球的概率 P 是多少?

4 / 7
P =
6.概率困难
xp(x)100.3200.3300.05400.35μ

X 的分布如图所示,Y = 3X + 20。求 Y 的标准差 σY。

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.3, 0.3, 0.05, 0.35Y = 3X + 20
σY =
7.正态分布中等
250 kg249.2 kgT = X₁ + … + X₁₀?

水泥袋的质量相互独立,服从均值 25 kg、标准差 0.5 kg 的正态分布。求其中 10 个的总质量超过 249.2 kg 的概率 P。z 取两位小数。

μ = 25 kgσ = 0.5 kgn = 10> 249.2 kg
P =
8.正态分布困难
μ = 65x = ?10%

考试成绩服从正态分布,均值为 65 分,标准差为 10 分。求数值 x,使得有 10% 的数据低于它(第 10 百分位数)。

μ = 65σ = 10P = 10%
x = 分
9.置信区间中等
x̄E₁ = 2.190%, n = 50x̄E₂ = ?95%, n = 50

基于 50 个观测值且 σ 已知的均值 90% 置信区间,其误差范围为 2.1。 用同样的数据计算 95% 区间,其误差范围 E₂ 是多少?

90%n₁ = 50E₁ = 2.195%
E₂ =
10.置信区间困难
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0599%

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 99% 置信区间的误差范围不超过 0.05?

p = 0.5E = 0.0599%
n =
11.假设检验与置信区间中等
−1.68p = ?

据称某总体的均值为 120;已知总体标准差为 10。一个含 25 个观测值的随机样本均值为 116.64。检验 H₀: μ = 120 对 H₁: μ < 120。求 p 值 p。

μ₀ = 120σ = 10n = 25x̄ = 116.64H₁: μ < μ₀
p =
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 300 名患者中有 165 人康复,接受治疗 B 的 150 名患者中有 66 人康复。用合并比例求 H₀: p₁ = p₂ 的检验统计量 z。

x₁ = 165n₁ = 300x₂ = 66n₂ = 150
z =
13.线性回归与相关中等
xy16681871208322942410526109xy202580100

表中给出 6 对观测值 x = 温度 (°C) 和 y = 冰淇淋销量。 求皮尔逊相关系数 r。

n = 6
r =
14.线性回归与相关困难
xy121219320413515612xy2461520x = 3.5

表中给出 6 对观测值 x = 车龄(年) 和 y = 价格 (k€)。 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
无缺陷轻微严重合计白班304429103夜班40271582合计707144185

列联表给出了观测频数。为进行卡方独立性检验,求单元格“白班,严重”的期望频数 E。

行合计 = 103列合计 = 44N = 185
E =
16.卡方检验困难
是否合计18–30 岁15254031–50 岁28326051 岁及以上295180合计72108180dfα = 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 = 1803 × 2α = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究方法

答案: C · 总体效度

为什么是这个答案

总体效度是外部效度的一种。主要由年轻、西方、受过教育的人组成的样本可能无法代表其他人。

答案

C · 总体效度
2.心理学研究方法

答案: A · 药物与年龄之间的交互作用

为什么是这个答案

当一个因素的效应在另一个因素的不同水平上不同时,就存在交互作用。这里药物的效应取决于年龄组。

答案

A · 药物与年龄之间的交互作用
3.描述统计

答案: s = 22.36

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 = 266/7 = 38

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−27)² + 20² + 21² + 21² + 8² + (−21)² + (−22)² = 3000

标准差

s = √(3000/6) = 22.36

答案

s = 22.36
4.描述统计

答案: z = −0.8

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 = (468 − 500)/40 = −0.8

答案

z = −0.8
5.概率

答案: P = 0.1091

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。

第一次和第二次摸球

P = 4/11 · 3/10 = 12/110 = 0.1091

答案

P = 0.1091
6.概率

答案: σY = 37.32

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 = 24.5, Var(X) = 154.8, σX = 12.44

线性变换

σY = |3|·12.44 = 37.32

答案

σY = 37.32

均值确实会改变:E(Y) = 3·24.5 + 20 = 93.5。

7.正态分布

答案: P = 0.695

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 = 250 kg, σT = 0.5·√10 = 1.581 kg

标准化

z = (249.2 − 250)/1.581 = −0.51

概率

P = 1 − Φ(−0.51) = 0.695

答案

P = 0.695
8.正态分布

答案: x = 52.18 分

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。

该百分位数对应的 z

Φ(z) = 0.1 → z = −1.282

换算回 x

x = 65 + −1.282·10 = 52.18 分

答案

x = 52.18 分
9.置信区间

答案: E₂ = 2.502

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 = (1.96/1.645)·√(50/50) = 1.191

新的误差范围

E₂ = 2.1·1.191 = 2.502

答案

E₂ = 2.502
10.置信区间

答案: n = 664

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 = 2.576²·0.5·0.5/0.05² = 663.6

向上取整

n = 664

答案

n = 664
11.假设检验与置信区间

答案: p = 0.04648

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.

检验统计量

SE = σ/√n = 10/√25 = 2
z = (116.64 − 120)/2 = −1.68

尾部面积

Φ(1.68) = 0.9535
1 − Φ(1.68) = 0.0465

p 值

p = 0.04648

答案

p = 0.04648

p ≤ 0.05,所以在 5% 水平下拒绝 H₀。

12.假设检验与置信区间

答案: z = 2.201

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 = 165/300 = 0.55
p̂₂ = 66/150 = 0.44
p̂ = 231/450 = 0.5133

H₀ 下的标准误

SE = √(0.5133·0.4867·(1/300 + 1/150)) = 0.04998

检验统计量

z = (0.55 − 0.44)/0.04998 = 2.201

答案

z = 2.201

|z| > 1.96,所以在 5% 水平下拒绝 H₀(双侧)。

13.线性回归与相关

答案: r = 0.9882

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 = 126/6 = 21
ȳ = 530/6 = 88.33

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 318
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1479

相关系数

r = 318/√(70·1479) = 0.9882

答案

r = 0.9882
14.线性回归与相关

答案: ŷ = 16.67

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 = 21/6 = 3.5
ȳ = 100/6 = 16.67

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −32

回归直线

b = −32/17.5 = −1.829
a = 16.67 − (−1.829)·3.5 = 23.07
ŷ = 23.07 − 1.829·x

预测

ŷ = 23.07 + (−1.829)·3.5 = 16.67

答案

ŷ = 16.67
15.卡方检验

答案: E = 24.5

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

E = 103·44/185 = 24.5

答案

E = 24.5
16.卡方检验

答案: χ² = 1.684

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: 16, 24
31–50 岁: 24, 36
51 岁及以上: 32, 48

卡方统计量

χ² = (15 − 16)²/16 + (25 − 24)²/24 + (28 − 24)²/24 + (32 − 36)²/36 + (29 − 32)²/32 + (51 − 48)²/48
χ² = 1.684

决策

df = 2, χ²crit = 5.991
1.684 < 5.991

答案

χ² = 1.684

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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