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

实验中使用标准化指导语是为了:

  1. A研究者可以根据每位参与者的需要调整程序
  2. B让参与者自己选择条件
  3. C使结果具有统计显著性
  4. D让所有参与者以相同的方式获得相同的信息
2.心理学研究方法困难

一项有 10 名参与者的研究发现了一个大但不显著的效应。最恰当的结论是什么?

  1. A效应量一定计算错了
  2. B该效应一定是第一类错误
  3. C该研究可能统计检验力不足,因此结果尚无定论
  4. D该研究证明零假设为真,因为效应不显著
3.描述统计中等
2025303540455055

求数据的样本标准差 s:57, 48, 19, 45, 54。

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 170,标准差为 5。数值低于 164 的比例 P 是多少?

μ = 170σ = 5x = 164
P =
5.概率中等
红球: 7蓝球: 8

袋中有 7 个红球和 8 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?

7 / 8
P =
6.概率困难
€p(x)−50.88150.1450.02

一局游戏的参与费用为 €5。你以概率 0.1 赢得 €20,以概率 0.02 赢得 €50;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€20: p = 0.1€50: p = 0.02
E(G) = €
7.正态分布中等
200 mm199.6 mmX + Y?

X 服从均值 120 mm、标准差 0.3 mm 的正态分布;Y 独立,服从均值 80 mm、标准差 0.4 mm 的正态分布。求 X + Y 大于 199.6 mm 的概率 P。z 取两位小数。

μX = 120, σX = 0.3μY = 80, σY = 0.4X + Y > 199.6 mm
P =
8.正态分布困难
μ = 178x = ?5%

成年男性的身高服从正态分布,均值为 178 cm,标准差为 7 cm。求数值 x,使得有 5% 的数据低于它(第 5 百分位数)。

μ = 178σ = 7P = 5%
x = cm
9.置信区间中等
n = 9, sd​ = 4.10L = ?Ud̄ = 3.5E90%

测量 9 名患者治疗前后的血压。差值 d = 治疗前 − 治疗后 (mmHg) 的均值为 3.5,标准差为 4.1。 求平均差值的 90% 置信区间的下限。

n = 9d̄ = 3.5sd = 4.190%t(8) = 1.86
下限 = mmHg
10.置信区间困难
p ≈ 0.15, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0199%

一项预研究表明,约有 0.15 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 0.01?

p ≈ 0.15E = 0.0199%
n =
11.假设检验与置信区间中等
−1.961.96z = ?

两条生产线生产同一种零件。生产线 1:30 个零件的样本平均长度为 61 mm,该生产线的已知标准差为 15 mm。生产线 2:100 个零件的样本均值为 65.9 mm,已知标准差为 13 mm。取差值为 x̄₁ − x̄₂(生产线 1 减生产线 2),求 H₀: μ₁ = μ₂ 的检验统计量 z。

n₁ = 30x̄₁ = 61 mmσ₁ = 15 mmn₂ = 100x̄₂ = 65.9 mmσ₂ = 13 mm
z =
12.假设检验与置信区间困难
H₀H₁μ₀x̄cμ₀ + 2.5α = 0.01βσ = 9, 功效 90%, n = ?

在 α = 0.01 下的单侧 z 检验,必须以 90% 的功效检测出均值 2.5 个单位的偏移。标准差为 9。求最小样本量 n。

α = 0.01功效 = 90%δ = 2.5σ = 9zα = 2.326zβ = 1.282
n =
13.线性回归与相关中等
xy124222321416516613xy246152025

表中给出 6 对观测值 x = 车龄(年) 和 y = 价格 (k€)。 求皮尔逊相关系数 r。

n = 6
r =
14.线性回归与相关困难
xy2454606718801097xy5106080100ŷ = 89

表中给出 5 对观测值 x = 广告支出 (k€) 和 y = 销售额 (k€)。 使用最小二乘直线 ŷ = a + b·x。 x 取何值 x 时,直线预测 ŷ = 89?

n = 5ŷ = 89
x =
15.卡方检验中等
无缺陷轻微严重合计白班423642120夜班489360合计904545180

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 = 1802 × 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

对一个 2 行 4 列(不含合计)的列联表进行卡方独立性检验。 利用表格,求显著性水平 α = 0.05 下的临界值 χ²crit。

α = 0.05
χ²crit =

3溶液

1.心理学研究方法

答案: D · 让所有参与者以相同的方式获得相同的信息

为什么是这个答案

标准化消除了程序差异这一无关变量,并使研究可以重复。

答案

D · 让所有参与者以相同的方式获得相同的信息
2.心理学研究方法

答案: C · 该研究可能统计检验力不足,因此结果尚无定论

为什么是这个答案

样本小时,即使真实的效应也常常达不到显著(第二类错误)。研究者应报告效应量和置信区间,并用更大的样本重复研究。

答案

C · 该研究可能统计检验力不足,因此结果尚无定论
3.描述统计

答案: s = 15.08

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 = 223/5 = 44.6

离差平方

Σ(x − x̄)² = 12.4² + 3.4² + (−25.6)² + 0.4² + 9.4² = 909.2

标准差

s = √(909.2/4) = 15.08

答案

s = 15.08
4.描述统计

答案: P = 0.1151

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 = −1.2

标准正态分布表

Φ(−1.2) = 0.1151
P = 0.1151

答案

P = 0.1151
5.概率

答案: P = 0.2

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 = 7/15 · 6/14 = 42/210 = 0.2

答案

P = 0.2
6.概率

答案: E(G) = −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: 15 (p = 0.1), 45 (p = 0.02), −5 (p = 0.88)

期望值

E(G) = 15·0.1 + 45·0.02 − 5·0.88 = −2 €

答案

E(G) = −2 €

负值表示平均而言你会亏钱。

7.正态分布

答案: P = 0.7881

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)。

和的分布

μ = 200 mm, σ = √(0.3² + 0.4²) = 0.5 mm

标准化

z = (199.6 − 200)/0.5 = −0.8

上尾

P = 1 − Φ(−0.8) = 1 − 0.2119 = 0.7881

答案

P = 0.7881
8.正态分布

答案: x = 166.5 cm

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) = 0.05 → z = −1.645

换算回 x

x = 178 + −1.645·7 = 166.49 cm

答案

x = 166.49 cm
9.置信区间

答案: 下限 = 0.958 mmHg

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.

临界值

df = 8, t = 1.86

误差范围

E = 1.86·4.1/√9 = 2.542

区间

3.5 ± 2.542 → [0.958, 6.042]

答案

下限 = 0.958 mmHg
10.置信区间

答案: n = 8461

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 = 2.576²·0.15·0.85/0.01² = 8461

向上取整

n = 8461

答案

n = 8461
11.假设检验与置信区间

答案: z = −1.616

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.

差值的标准误

SE = √(15²/30 + 13²/100) = √9.19 = 3.032

检验统计量

z = (61 − 65.9)/3.032 = −1.616

答案

z = −1.616

|z| < 1.96,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: n = 169

检验的样本量:在水平 α 下的单侧 z 检验中,要以功效 1 − β 检测出真实偏移 δ,标准误必须满足 δ = (z_α + z_β)·σ/√n,所以 n = ((z_α + z_β)·σ/δ)²,向上取整。

解出 n

n = ((2.326 + 1.282)·9/2.5)² = 168.7

向上取整

n = 169

答案

n = 169
13.线性回归与相关

答案: r = −0.9755

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 = 112/6 = 18.67

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −39
Syy = Σ(y − ȳ)² = 91.33

相关系数

r = −39/√(17.5·91.33) = −0.9755

答案

r = −0.9755
14.线性回归与相关

答案: x = 8.968

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 = 30/5 = 6
ȳ = 353/5 = 70.6

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 248

回归直线

b = 248/40 = 6.2
a = 70.6 − 6.2·6 = 33.4
ŷ = 33.4 + 6.2·x

解出 x

x = (89 − 33.4)/6.2 = 8.968

答案

x = 8.968
15.卡方检验

答案: χ² = 34.2

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

白班: 120·90/180 = 60, 120·45/180 = 30, 120·45/180 = 30
夜班: 60·90/180 = 30, 60·45/180 = 15, 60·45/180 = 15

卡方统计量

χ² = (42 − 60)²/60 + (36 − 30)²/30 + (42 − 30)²/30 + (48 − 30)²/30 + (9 − 15)²/15 + (3 − 15)²/15
χ² = 34.2

答案

χ² = 34.2

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 = 7.815

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 = (2 − 1)·(4 − 1) = 3

表

χ²crit(df = 3, α = 0.05) = 7.815

答案

χ²crit = 7.815

若计算出的 χ² 大于该值,则拒绝 H₀。

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