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

平均数 50 的 95% 置信区间为 46 到 54。最准确的解释是什么?

  1. A样本平均数为 50 的概率是 95%
  2. B结果不显著
  3. C样本中 95% 的个体参与者在该测量上得分在 46 到 54 之间
  4. D所用的程序产生的区间有 95% 的时候包含真实平均数
2.心理学研究方法困难

哪种非参数检验用于比较两个相关样本,例如顺序量表上的前后测分数?

  1. A独立样本 t 检验
  2. B卡方独立性检验
  3. C曼-惠特尼 U 检验
  4. D威尔科克森符号秩检验
3.描述统计中等
2530354045505560

求数据的样本标准差 s:60, 36, 22, 53, 54。

n = 5
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 60,标准差为 15。求成绩 82.5 的 z 分数 z。

μ = 60σ = 15x = 82.5
z =
5.概率中等
xp(x)10.120.330.340.3μ = 2.8

对图中的分布,求 X 的标准差 σ。

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0.1, 0.3, 0.3, 0.3
σ =
6.概率困难
xp(x)00.2510.2520.1530.340.05μ

X 的分布如图所示,Y = 10X + 1。求 Y 的标准差 σY。

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0.25, 0.25, 0.15, 0.3, 0.05Y = 10X + 1
σY =
7.正态分布中等
−3−2−10123zz 右侧的阴影面积 = 0.3409

拖动 z,使标准正态曲线下 z 右侧的阴影面积为 0.3409。求 z,保留两位小数。

A = 0.3409
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 0.015 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 = 0.015 mm
P =
9.置信区间中等
n = 9, s = 2LU = ?x̄ = 36E99%

一个包含 9 个个体的样本,均值为 36,标准差 s = 2。总体近似服从正态分布。 求均值的 99% 置信区间的上限。

n = 9x̄ = 36s = 299%t(8) = 3.355
上限 =
10.置信区间困难
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.02599%

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 0.025?

p = 0.5E = 0.02599%
n =
11.假设检验与置信区间中等
−2.0862.086t = ?df = 20

比较两种教学方法。第 1 组:13 名学生,平均分 55.5,标准差 12。第 2 组:9 名学生,平均分 49.3,标准差 9.5。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 = 13x̄₁ = 55.5s₁ = 12n₂ = 9x̄₂ = 49.3s₂ = 9.5
t =
12.假设检验与置信区间困难
z −2.57602.576

16 次测量的样本均值为 52。总体标准差为 8。求均值 99% 置信区间的上限 U。

x̄ = 52σ = 8n = 1699%
U =
13.线性回归与相关中等
xy274861381710161220xy510101520

表中给出 6 对观测值 x = 荷载 (kN) 和 y = 伸长量 (mm)。 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
xy355563766983119613102xy5106080100x = 8

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 = 8 时的 ŷ。

n = 6x = 8
ŷ =
15.卡方检验中等
低中高合计城市7122140农村17422180合计245442120

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 = 1202 × 3
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 7 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: D · 所用的程序产生的区间有 95% 的时候包含真实平均数

为什么是这个答案

95% 置信区间给出总体参数的一系列可信值。区间越窄(来自更大的样本),估计越精确。

答案

D · 所用的程序产生的区间有 95% 的时候包含真实平均数
2.心理学研究方法

答案: D · 威尔科克森符号秩检验

为什么是这个答案

威尔科克森符号秩检验用于配对的顺序数据;曼-惠特尼 U 检验是其用于独立组的对应方法。

答案

D · 威尔科克森符号秩检验
3.描述统计

答案: s = 15.65

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 = 225/5 = 45

离差平方

Σ(x − x̄)² = 15² + (−9)² + (−23)² + 8² + 9² = 980

标准差

s = √(980/4) = 15.65

答案

s = 15.65
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 = (82.5 − 60)/15 = 1.5

答案

z = 1.5
5.概率

答案: σ = 0.9798

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 = 1·0.1 + 2·0.3 + 3·0.3 + 4·0.3 = 2.8

平方的均值

E(X²) = 1·0.1 + 4·0.3 + 9·0.3 + 16·0.3 = 8.8

方差

Var(X) = 8.8 − 2.8² = 0.96
σ = √0.96 = 0.9798

答案

σ = 0.9798
6.概率

答案: σY = 12.76

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 = 1.65, Var(X) = 1.627, σX = 1.276

线性变换

σY = |10|·1.276 = 12.76

答案

σY = 12.76

均值确实会改变:E(Y) = 10·1.65 + 1 = 17.5。

7.正态分布

答案: z = 0.41

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 − 0.3409 = 0.6591

反向查 z 表

在表中找到 0.6591,读出 z。

z = 0.41

答案

z = 0.41
8.正态分布

答案: P = 0.9772

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 = 0.025 mm

标准化

z = (0 − 0.05)/0.025 = −2

概率

P = 1 − Φ(−2) = 0.9772

答案

P = 0.9772
9.置信区间

答案: 上限 = 38.24

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 = 8, t = 3.355

误差范围

E = 3.355·2/√9 = 2.237

区间

36 ± 2.237 → [33.76, 38.24]

答案

上限 = 38.24
10.置信区间

答案: n = 2655

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 = 2.576²·0.5·0.5/0.025² = 2654

向上取整

n = 2655

答案

n = 2655
11.假设检验与置信区间

答案: t = 1.292

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 = (12·12² + 8·9.5²)/20 = 122.5
sp = 11.07

标准误

SE = 11.07·√(1/13 + 1/9) = 4.799

检验统计量

t = (55.5 − 49.3)/4.799 = 1.292

答案

t = 1.292

df = 20 时,双侧 5% 的临界值为 2.086;|t| 更小,所以不拒绝 H₀。

12.假设检验与置信区间

答案: U = 57.15

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)。

误差范围

E = 2.576·8/√16 = 5.152

区间端点

U = 52 + 5.152 = 57.15

答案

U = 57.15
13.线性回归与相关

答案: r² = 0.9255

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 = 81/6 = 13.5

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 93
Syy = Σ(y − ȳ)² = 133.5

决定系数

r² = 93²/(70·133.5) = 0.9255

答案

r² = 0.9255

y 的变异中约有 92.55% 可由该直线解释。

14.线性回归与相关

答案: ŷ = 77.5

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 = 465/6 = 77.5

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 351

回归直线

b = 351/70 = 5.014
a = 77.5 − 5.014·8 = 37.39
ŷ = 37.39 + 5.014·x

预测

ŷ = 37.39 + 5.014·8 = 77.5

答案

ŷ = 77.5
15.卡方检验

答案: χ² = 8.438

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: 40·24/120 = 8, 40·54/120 = 18, 40·42/120 = 14
农村: 80·24/120 = 16, 80·54/120 = 36, 80·42/120 = 28

卡方统计量

χ² = (7 − 8)²/8 + (12 − 18)²/18 + (21 − 14)²/14 + (17 − 16)²/16 + (42 − 36)²/36 + (21 − 28)²/28
χ² = 8.438

答案

χ² = 8.438

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: χ²crit = 15.09

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 = 7 − 1 − 1 = 5

表

χ²crit(df = 5, α = 0.01) = 15.086

答案

χ²crit = 15.086

若计算出的 χ² 大于该值,则拒绝 H₀。

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