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

内部效度指的是:

  1. A参与者是否觉得研究有趣
  2. B研究结果能否推广到该研究之外的其他总体、情境和时间
  3. C观察到的效应是否确实由自变量而不是其他因素引起
  4. D测验在不同时间是否给出相同结果
2.心理学研究方法困难

为什么许多研究者主张 p 值应与效应量和置信区间一起报告?

  1. A效应量使样本量与显著性无关
  2. Bp 值不能显示效应有多大或有多精确
  3. Cp 值显示假设为真的概率
  4. D只有定性研究才需要置信区间
3.描述统计中等
25303540455055

求数据的样本标准差 s:25, 45, 52, 47, 53, 56, 55。

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 60,标准差为 20。求成绩 50 的 z 分数 z。

μ = 60σ = 20x = 50
z =
5.概率中等
xp(x)10.320.2530.0540.350.1μ = 2.65

对图中的分布,求 X 的方差 Var(X)。

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0.3, 0.25, 0.05, 0.3, 0.1
Var(X) =
6.概率困难
n = 11, p = 0.7: P(X ≤ 1) = ?k01234567891011

测试 11 个元件,每个独立地以概率 0.7 失效。至多一个失效的概率 P 是多少?

n = 11p = 0.7
P =
7.正态分布中等
850 kg887.9 kgT = X₁ + … + X₁₀?

带行李的乘客的质量相互独立,服从均值 85 kg、标准差 12 kg 的正态分布。求其中 10 个的总质量超过 887.9 kg 的概率 P。z 取两位小数。

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 10> 887.9 kg
P =
8.正态分布困难
μ = 100x = ?90%

智商分数服从正态分布,均值为 100 分,标准差为 15 分。求数值 x,使得有 90% 的数据低于它(第 90 百分位数)。

μ = 100σ = 15P = 90%
x = 分
9.置信区间中等
μ₁ − μ₂0LU = ?x̄₁ − x̄₂E90%

比较两种手机型号的电池续航时间。型号 1:100 部手机,均值 88 h,已知标准差 20 h。型号 2:40 部手机,均值 102.5 h,已知标准差 19 h。 求 μ₁ − μ₂ 的 90% 置信区间的上限。

n₁ = 100x̄₁ = 88 hσ₁ = 20 hn₂ = 40x̄₂ = 102.5 hσ₂ = 19 h90%
上限 = h
10.置信区间困难
σ = 19, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2.599%

总体标准差为 19。样本量 n 至少要多大,才能使均值的 99% 置信区间的误差范围不超过 2.5?

σ = 19E = 2.599%
n =
11.假设检验与置信区间中等
−1.621.62p = ?

据称某总体的均值为 50;已知总体标准差为 36。一个含 144 个观测值的随机样本均值为 45.14。检验 H₀: μ = 50 对 H₁: μ ≠ 50。求 p 值 p。

μ₀ = 50σ = 36n = 144x̄ = 45.14H₁: 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 120 名患者中有 60 人康复,接受治疗 B 的 120 名患者中有 48 人康复。用合并比例求 H₀: p₁ = p₂ 的检验统计量 z。

x₁ = 60n₁ = 120x₂ = 48n₂ = 120
z =
13.线性回归与相关中等
xy139243347450557665xy246405060

表中给出 6 对观测值 x = 广告支出 (k€) 和 y = 销售额 (k€)。 求皮尔逊相关系数 r。

n = 6
r =
14.线性回归与相关困难
xy2324466538601065xy5104060x = 5

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。 新得到一个观测值 (5, 52)。求其残差 e = y − ŷ。

n = 5(5, 52)
e =
15.卡方检验中等
低中高合计城市16162860农村244036100合计405664160

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 = 1602 × 3
χ² =
16.卡方检验困难
合格不合格合计生产线 1681280生产线 2281240生产线 3443680合计14060200dfα = 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 = 2003 × 2α = 0.01
χ² =

3溶液

1.心理学研究方法

答案: C · 观察到的效应是否确实由自变量而不是其他因素引起

为什么是这个答案

内部效度高意味着已排除其他解释,如混淆变量、需求特征或实验者偏差。外部效度则涉及推广性。

答案

C · 观察到的效应是否确实由自变量而不是其他因素引起
2.心理学研究方法

答案: B · p 值不能显示效应有多大或有多精确

为什么是这个答案

p 值在很大程度上取决于样本量,只表明在零假设下数据有多出人意料。效应量显示大小,置信区间显示精确度。

答案

B · p 值不能显示效应有多大或有多精确
3.描述统计

答案: s = 10.74

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 = 333/7 = 47.57

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−22.57)² + (−2.571)² + 4.429² + (−0.5714)² + 5.429² + 8.429² + 7.429² = 691.7

标准差

s = √(691.7/6) = 10.74

答案

s = 10.74
4.描述统计

答案: z = −0.5

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 = (50 − 60)/20 = −0.5

答案

z = −0.5
5.概率

答案: Var(X) = 2.028

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 = 1·0.3 + 2·0.25 + 3·0.05 + 4·0.3 + 5·0.1 = 2.65

平方的均值

E(X²) = 1·0.3 + 4·0.25 + 9·0.05 + 16·0.3 + 25·0.1 = 9.05

方差

Var(X) = 9.05 − 2.65² = 2.028

答案

Var(X) = 2.028
6.概率

答案: P = 4.724 × 10⁻⁵

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。

零个和一个失效

P(X = 0) = 0.311 = 1.771 × 10⁻⁶
P(X = 1) = 11·0.7·0.310 = 4.547 × 10⁻⁵

相加

P = 1.771 × 10⁻⁶ + 4.547 × 10⁻⁵ = 4.724 × 10⁻⁵

答案

P = 4.724 × 10⁻⁵
7.正态分布

答案: P = 0.1587

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 = 850 kg, σT = 12·√10 = 37.95 kg

标准化

z = (887.9 − 850)/37.95 = 1

概率

P = 1 − Φ(1) = 0.1587

答案

P = 0.1587
8.正态分布

答案: x = 119.2 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) = 0.9 → z = 1.282

换算回 x

x = 100 + 1.282·15 = 119.22 分

答案

x = 119.22 分
9.置信区间

答案: 上限 = −8.563 h

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.

点估计

x̄₁ − x̄₂ = 88 − 102.5 = −14.5

标准误

SE = √(20²/100 + 19²/40) = 3.609

误差范围

E = 1.645·3.609 = 5.937

区间

−14.5 ± 5.937 → [−20.44, −8.563]

答案

上限 = −8.563 h

区间不包含 0,所以两个均值有显著差异。

10.置信区间

答案: n = 384

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。

解出 n

n = (2.576·19/2.5)² = 383.3

向上取整

样本量是整数,向下取整会使误差范围过大。

n = 384

答案

n = 384
11.假设检验与置信区间

答案: p = 0.1052

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 = 36/√144 = 3
z = (45.14 − 50)/3 = −1.62

尾部面积

Φ(1.62) = 0.9474
1 − Φ(1.62) = 0.0526

p 值

p = 2·0.0526 = 0.1052

答案

p = 0.1052

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: z = 1.557

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 = 60/120 = 0.5
p̂₂ = 48/120 = 0.4
p̂ = 108/240 = 0.45

H₀ 下的标准误

SE = √(0.45·0.55·(1/120 + 1/120)) = 0.06423

检验统计量

z = (0.5 − 0.4)/0.06423 = 1.557

答案

z = 1.557

|z| < 1.96,所以在 5% 水平下不拒绝 H₀(双侧)。

13.线性回归与相关

答案: r = 0.9829

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 = 301/6 = 50.17

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 87.5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 452.8

相关系数

r = 87.5/√(17.5·452.8) = 0.9829

答案

r = 0.9829
14.线性回归与相关

答案: e = 4.8

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 = 256/5 = 51.2

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 160

回归直线

b = 160/40 = 4
a = 51.2 − 4·6 = 27.2
ŷ = 27.2 + 4·x

预测值

ŷ = 27.2 + 4·5 = 47.2

残差

e = 52 − 47.2 = 4.8

答案

e = 4.8

该点位于直线上方。

15.卡方检验

答案: χ² = 3.078

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: 60·40/160 = 15, 60·56/160 = 21, 60·64/160 = 24
农村: 100·40/160 = 25, 100·56/160 = 35, 100·64/160 = 40

卡方统计量

χ² = (16 − 15)²/15 + (16 − 21)²/21 + (28 − 24)²/24 + (24 − 25)²/25 + (40 − 35)²/35 + (36 − 40)²/40
χ² = 3.078

答案

χ² = 3.078

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 = 17.14

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

生产线 1: 56, 24
生产线 2: 28, 12
生产线 3: 56, 24

卡方统计量

χ² = (68 − 56)²/56 + (12 − 24)²/24 + (28 − 28)²/28 + (12 − 12)²/12 + (44 − 56)²/56 + (36 − 24)²/24
χ² = 17.14

决策

df = 2, χ²crit = 9.210
17.14 > 9.210

答案

χ² = 17.14

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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