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

在完全正态分布中:

  1. A平均数、中位数和众数相等
  2. B大多数分数位于尾部
  3. C众数是最低分
  4. D平均数总是大于中位数
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该研究可能统计检验力不足,因此结果尚无定论
  3. C该研究证明零假设为真,因为效应不显著
  4. D该效应一定是第一类错误
3.描述统计中等
152025303540455055

求数据的样本标准差 s:25, 19, 21, 54, 58, 15, 17。

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 170,标准差为 15。求成绩 192.5 的 z 分数 z。

μ = 170σ = 15x = 192.5
z =
5.概率中等
P(至少一个六点) = ??1?2?3?4每次掷出 P(六点) = 1/6

一颗均匀骰子掷 4 次。至少掷出一次六点的概率 P 是多少?

n = 4
P =
6.概率困难
xp(x)00.310.220.3530.15μ

X 的分布如图所示,Y = 3X + 1。求 Y 的标准差 σY。

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0.3, 0.2, 0.35, 0.15Y = 3X + 1
σY =
7.正态分布中等
−3−2−10123zz 右侧的阴影面积 = 0.2810

拖动 z,使标准正态曲线下 z 右侧的阴影面积为 0.2810。求 z,保留两位小数。

A = 0.2810
z =
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
x̄E₁ = 10.495%, n = 25x̄E₂ = ?95%, n = 100

基于 25 个观测值且 σ 已知的均值 95% 置信区间,其误差范围为 10.4。 如果同一研究改用 100 个观测值,误差范围 E₂ 是多少?

95%n₁ = 25E₁ = 10.4n₂ = 100
E₂ =
10.置信区间困难
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0399%

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 0.03?

p = 0.5E = 0.0399%
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 1:50 个零件的样本平均长度为 142 mm,该生产线的已知标准差为 13 mm。生产线 2:50 个零件的样本均值为 145.9 mm,已知标准差为 10 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 = 50x̄₁ = 142 mmσ₁ = 13 mmn₂ = 50x̄₂ = 145.9 mmσ₂ = 10 mm
z =
12.假设检验与置信区间困难
z −1.9601.96

81 次测量的样本均值为 497.8。总体标准差为 8。求均值 95% 置信区间的上限 U。

x̄ = 497.8σ = 8n = 8195%
U =
13.线性回归与相关中等
xy163518272038225224522664xy20254060

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 = 126Σy = 268Σx² = 2716Σy² = 12902Σxy = 5862
r =
14.线性回归与相关困难
xy254461181110161217xy51051015ŷ = 16

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 = 16?

n = 6ŷ = 16
x =
15.卡方检验中等
无缺陷轻微严重合计白班273736100夜班332344100合计606080200

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 = 2002 × 3
χ² =
16.卡方检验困难
合格不合格合计18–30 岁366410031–50 岁17234051 岁及以上192140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 = 0.01 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 = 0.01
χ² =

3溶液

1.心理学研究方法

答案: A · 平均数、中位数和众数相等

为什么是这个答案

正态分布是对称的钟形,因此三种集中趋势指标都落在中心。

答案

A · 平均数、中位数和众数相等
2.心理学研究方法

答案: B · 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

B · 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 = 18.17

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 = 209/7 = 29.86

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−4.857)² + (−10.86)² + (−8.857)² + 24.14² + 28.14² + (−14.86)² + (−12.86)² = 1981

标准差

s = √(1981/6) = 18.17

答案

s = 18.17
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 = (192.5 − 170)/15 = 1.5

答案

z = 1.5
5.概率

答案: P = 0.5177

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)4 = 0.4823
P = 1 − 0.4823 = 0.5177

答案

P = 0.5177
6.概率

答案: σY = 3.186

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 = 1.35, Var(X) = 1.128, σX = 1.062

线性变换

σY = |3|·1.062 = 3.186

答案

σY = 3.186

均值确实会改变:E(Y) = 3·1.35 + 1 = 5.05。

7.正态分布

答案: z = 0.58

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 − 0.2810 = 0.7190

反向查 z 表

在表中找到 0.7190,读出 z。

z = 0.58

答案

z = 0.58
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: E₂ = 5.2

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 = (1.96/1.96)·√(25/100) = 0.5

新的误差范围

E₂ = 10.4·0.5 = 5.2

答案

E₂ = 5.2
10.置信区间

答案: n = 1844

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 = 2.576²·0.5·0.5/0.03² = 1843

向上取整

n = 1844

答案

n = 1844
11.假设检验与置信区间

答案: z = −1.681

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 = √(13²/50 + 10²/50) = √5.38 = 2.319

检验统计量

z = (142 − 145.9)/2.319 = −1.681

答案

z = −1.681

|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: U = 499.5

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 = 1.96·8/√81 = 1.742

区间端点

U = 497.8 + 1.742 = 499.5

答案

U = 499.5
13.线性回归与相关

答案: r = 0.9165

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 = 5862 − 126·268/6 = 234
Sxx = 2716 − 126²/6 = 70
Syy = 12902 − 268²/6 = 931.3

相关系数

r = 234/√(70·931.3) = 0.9165

答案

r = 0.9165
14.线性回归与相关

答案: x = 10.89

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 = 64/6 = 10.67

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 96

回归直线

b = 96/70 = 1.371
a = 10.67 − 1.371·7 = 1.067
ŷ = 1.067 + 1.371·x

解出 x

x = (16 − 1.067)/1.371 = 10.89

答案

x = 10.89
15.卡方检验

答案: χ² = 4.667

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: 100·60/200 = 30, 100·60/200 = 30, 100·80/200 = 40
夜班: 100·60/200 = 30, 100·60/200 = 30, 100·80/200 = 40

卡方统计量

χ² = (27 − 30)²/30 + (37 − 30)²/30 + (36 − 40)²/40 + (33 − 30)²/30 + (23 − 30)²/30 + (44 − 40)²/40
χ² = 4.667

答案

χ² = 4.667

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

16.卡方检验

答案: χ² = 1.708

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: 40, 60
31–50 岁: 16, 24
51 岁及以上: 16, 24

卡方统计量

χ² = (36 − 40)²/40 + (64 − 60)²/60 + (17 − 16)²/16 + (23 − 24)²/24 + (19 − 16)²/16 + (21 − 24)²/24
χ² = 1.708

决策

df = 2, χ²crit = 9.210
1.708 < 9.210

答案

χ² = 1.708

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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