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

一名研究者向所有学生发放问卷,然后请受访者招募同样使用某款小众睡眠应用的朋友。第二步使用的是哪种抽样方法?

  1. A系统抽样
  2. B滚雪球抽样
  3. C随机抽样
  4. D分层抽样
2.心理学研究方法困难

在用学习时间和睡眠预测考试成绩的多元回归中,R² = 0.36。这是什么意思?

  1. A这些预测变量共同解释了考试成绩 36% 的方差
  2. B36% 的学生通过了考试
  3. C学习时间造成了 36% 的考试成功
  4. D预测变量之间的相关为 0.36
3.描述统计中等
35404550

求数据的样本标准差 s:32, 54, 46, 52, 33, 52, 54。

n = 7
s =
4.描述统计困难
z −2−1012

某量服从正态分布,平均数为 170,标准差为 20。数值高于 150 的比例 P 是多少?

μ = 170σ = 20x = 150
P =
5.概率中等
P(至少一个六点) = ??1?2每次掷出 P(六点) = 1/6

一颗均匀骰子掷 2 次。至少掷出一次六点的概率 P 是多少?

n = 2
P =
6.概率困难
€p(x)−10.8830.1190.02

一局游戏的参与费用为 €1。你以概率 0.1 赢得 €4,以概率 0.02 赢得 €20;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 = €1€4: p = 0.1€20: p = 0.02
E(G) = €
7.正态分布中等
96 kg93.7 kgT = X₁ + … + X₈?

箱子的质量相互独立,服从均值 12 kg、标准差 0.8 kg 的正态分布。求其中 8 个的总质量低于 93.7 kg 的概率 P。z 取两位小数。

μ = 12 kgσ = 0.8 kgn = 8< 93.7 kg
P =
8.正态分布困难
157164171178185192199cm底部 95%

成年男性的身高 服从正态分布,均值为 178 cm,标准差为 7 cm。拖动截断值,使阴影的后 95% 位于其左侧。求截断值 x。

μ = 178 cmσ = 7 cm95%
x = cm
9.置信区间中等
n = 30, s = 5L = ?Ux̄ = 27.5E95%

一个包含 30 个个体的样本,均值为 27.5,标准差 s = 5。总体近似服从正态分布。 求均值的 95% 置信区间的下限。

n = 30x̄ = 27.5s = 595%t(29) = 2.045
下限 =
10.置信区间困难
p ≈ 0.3, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0299%

一项预研究表明,约有 0.3 的产品有缺陷。 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 0.02?

p ≈ 0.3E = 0.0299%
n =
11.假设检验与置信区间中等
−1.22p = ?

据称某总体的均值为 80;已知总体标准差为 30。一个含 100 个观测值的随机样本均值为 76.34。检验 H₀: μ = 80 对 H₁: μ < 80。求 p 值 p。

μ₀ = 80σ = 30n = 100x̄ = 76.34H₁: μ < μ₀
p =
12.假设检验与置信区间困难
σ = 15, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1.590%

样本至少要多大,才能使均值的 90% 置信区间的误差范围不超过 1.5?标准差为 15。求最小样本量 n。

σ = 15E = 1.590%
n =
13.线性回归与相关中等
xy188520822294241062611828125xy202580100120

表中给出 6 对观测值 x = 温度 (°C) 和 y = 冰淇淋销量。 已给出它们的各项和。由这些和求皮尔逊相关系数 r。

n = 6Σx = 138Σy = 610Σx² = 3244Σy² = 63570Σxy = 14350
r =
14.线性回归与相关困难
xy284961581810241227xy5101020ŷ = 25

表中给出 6 对观测值 x = 荷载 (kN) 和 y = 伸长量 (mm)。 使用最小二乘直线 ŷ = a + b·x。 x 取何值 x 时,直线预测 ŷ = 25?

n = 6ŷ = 25
x =
15.卡方检验中等
低中高合计城市1491740农村6191540合计20283280

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 × 3
χ² =
16.卡方检验困难
合格不合格合计工厂 A937100工厂 B51960工厂 C213960合计16555220dfα = 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 = 2203 × 2α = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究方法

答案: B · 滚雪球抽样

为什么是这个答案

滚雪球抽样适用于难以接触的群体,但样本很可能具有相似特征,不具代表性。

答案

B · 滚雪球抽样
2.心理学研究方法

答案: A · 这些预测变量共同解释了考试成绩 36% 的方差

为什么是这个答案

R² 显示结果变量的变异中有多少可以由所有预测变量共同解释。它并不能确立因果关系。

答案

A · 这些预测变量共同解释了考试成绩 36% 的方差
3.描述统计

答案: s = 9.703

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 = 323/7 = 46.14

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−14.14)² + 7.857² + (−0.1429)² + 5.857² + (−13.14)² + 5.857² + 7.857² = 564.9

标准差

s = √(564.9/6) = 9.703

答案

s = 9.703
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) = 0.1587
P = 1 − 0.1587 = 0.8413

答案

P = 0.8413
5.概率

答案: P = 0.3056

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。

补事件

P(没有六点) = (5/6)2 = 0.6944
P = 1 − 0.6944 = 0.3056

答案

P = 0.3056
6.概率

答案: E(G) = −0.2 €

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: 3 (p = 0.1), 19 (p = 0.02), −1 (p = 0.88)

期望值

E(G) = 3·0.1 + 19·0.02 − 1·0.88 = −0.2 €

答案

E(G) = −0.2 €

负值表示平均而言你会亏钱。

7.正态分布

答案: P = 0.1539

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 = 96 kg, σT = 0.8·√8 = 2.263 kg

标准化

z = (93.7 − 96)/2.263 = −1.02

概率

P = Φ(−1.02) = 0.1539

答案

P = 0.1539
8.正态分布

答案: x = 189.5 cm

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) = 0.95

由表得到的 z

z ≈ 1.64

回到原来的单位

x = 178 + 1.64·7 = 189.5 cm

答案

x = 189.5 cm
9.置信区间

答案: 下限 = 25.63

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 = 29, t = 2.045

误差范围

E = 2.045·5/√30 = 1.867

区间

27.5 ± 1.867 → [25.63, 29.37]

答案

下限 = 25.63
10.置信区间

答案: n = 3484

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 = 2.576²·0.3·0.7/0.02² = 3484

向上取整

n = 3484

答案

n = 3484
11.假设检验与置信区间

答案: p = 0.1112

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 = 30/√100 = 3
z = (76.34 − 80)/3 = −1.22

尾部面积

Φ(1.22) = 0.8888
1 − Φ(1.22) = 0.1112

p 值

p = 0.1112

答案

p = 0.1112

p > 0.05,所以在 5% 水平下不拒绝 H₀。

12.假设检验与置信区间

答案: n = 271

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)。

解出 n

n = (1.645·15/1.5)² = 270.6

向上取整

n = 271

答案

n = 271
13.线性回归与相关

答案: r = 0.9704

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 = 14350 − 138·610/6 = 320
Sxx = 3244 − 138²/6 = 70
Syy = 63570 − 610²/6 = 1553

相关系数

r = 320/√(70·1553) = 0.9704

答案

r = 0.9704
14.线性回归与相关

答案: x = 11

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 = 42/6 = 7
ȳ = 101/6 = 16.83

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 143

回归直线

b = 143/70 = 2.043
a = 16.83 − 2.043·7 = 2.533
ŷ = 2.533 + 2.043·x

解出 x

x = (25 − 2.533)/2.043 = 11

答案

x = 11
15.卡方检验

答案: χ² = 6.896

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: 40·20/80 = 10, 40·28/80 = 14, 40·32/80 = 16
农村: 40·20/80 = 10, 40·28/80 = 14, 40·32/80 = 16

卡方统计量

χ² = (14 − 10)²/10 + (9 − 14)²/14 + (17 − 16)²/16 + (6 − 10)²/10 + (19 − 14)²/14 + (15 − 16)²/16
χ² = 6.896

答案

χ² = 6.896

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

16.卡方检验

答案: χ² = 71.68

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

工厂 A: 75, 25
工厂 B: 45, 15
工厂 C: 45, 15

卡方统计量

χ² = (93 − 75)²/75 + (7 − 25)²/25 + (51 − 45)²/45 + (9 − 15)²/15 + (21 − 45)²/45 + (39 − 15)²/15
χ² = 71.68

决策

df = 2, χ²crit = 5.991
71.68 > 5.991

答案

χ² = 71.68

χ² 高于临界值,所以拒绝 H₀:两个变量看起来是相关的。

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