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

第一类错误发生在研究者:

  1. A收集了过多的数据
  2. B没有拒绝一个错误的零假设
  3. C使用了错误的统计检验
  4. D拒绝了一个实际上为真的零假设
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预测变量之间的相关为 0.36
  4. D学习时间造成了 36% 的考试成功
3.描述统计中等
1520253035404550

求数据的样本标准差 s:33, 18, 11, 15, 35, 51。

n = 6
s =
4.描述统计困难
z −2−1012

某量服从正态分布,平均数为 70,标准差为 10。数值低于 76 的比例 P 是多少?

μ = 70σ = 10x = 76
P =
5.概率中等
红球: 8蓝球: 7

袋中有 8 个红球和 7 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?

8 / 7
P =
6.概率困难
xp(x)00.110.3520.3530.2μ

X 的分布如图所示,Y = 2X + 1。求 Y 的标准差 σY。

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0.1, 0.35, 0.35, 0.2Y = 2X + 1
σY =
7.正态分布中等
30.535.3P = ?

配送时间服从正态分布,均值为 32 min,标准差为 6 min。介于 30.5 和 35.3 min 之间的比例是多少?P 以小数表示。

μ = 32σ = 6x1 = 30.5x2 = 35.3
P =
8.正态分布困难
0.05 mm0D − d?

孔径 D 服从均值 25.05 mm、标准差 0.015 mm 的正态分布。轴径 d 独立,服从均值 25 mm、标准差 0.02 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 = 0.015 mm轴: μ = 25 mm, σ = 0.02 mm
P =
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 1:80 部手机,均值 107.5 h,已知标准差 20 h。型号 2:100 部手机,均值 116.5 h,已知标准差 17 h。 求 μ₁ − μ₂ 的 90% 置信区间的上限。

n₁ = 80x̄₁ = 107.5 hσ₁ = 20 hn₂ = 100x̄₂ = 116.5 hσ₂ = 17 h90%
上限 = h
10.置信区间困难
σ = 5, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1.599%

总体标准差为 5。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 1.5?

σ = 5E = 1.599%
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 1:100 个零件的样本平均长度为 137 mm,该生产线的已知标准差为 6 mm。生产线 2:30 个零件的样本均值为 135.4 mm,已知标准差为 14 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 = 100x̄₁ = 137 mmσ₁ = 6 mmn₂ = 30x̄₂ = 135.4 mmσ₂ = 14 mm
z =
12.假设检验与置信区间困难
z −2.57602.576

25 次测量的样本均值为 502.2。总体标准差为 4。求均值 99% 置信区间的下限 L。

x̄ = 502.2σ = 4n = 2599%
L =
13.线性回归与相关中等
xy1283395447519661167xy5104060

表中给出 6 对观测值 x = 广告支出 (k€) 和 y = 销售额 (k€)。 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
xy18852010322102241142612028140xy2025100120140ŷ = 120

表中给出 6 对观测值 x = 温度 (°C) 和 y = 冰淇淋销量。 使用最小二乘直线 ŷ = a + b·x。 x 取何值 x 时,直线预测 ŷ = 120?

n = 6ŷ = 120
x =
15.卡方检验中等
低中高合计城市245145120农村1651940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

对一个 2 行 4 列(不含合计)的列联表进行卡方独立性检验。 该检验的自由度 df 是多少?

2 × 4
df =

3溶液

1.心理学研究方法

答案: D · 拒绝了一个实际上为真的零假设

为什么是这个答案

第一类错误是声称存在一个并不存在的效应,其概率等于显著性水平(常为 0.05)。第二类错误是漏掉了真实的效应。

答案

D · 拒绝了一个实际上为真的零假设
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 = 15.21

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 = 163/6 = 27.17

离差平方

Σ(x − x̄)² = 5.833² + (−9.167)² + (−16.17)² + (−12.17)² + 7.833² + 23.83² = 1157

标准差

s = √(1157/5) = 15.21

答案

s = 15.21
4.描述统计

答案: P = 0.7257

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 = 0.6

标准正态分布表

Φ(0.6) = 0.7257
P = 0.7257

答案

P = 0.7257
5.概率

答案: P = 0.2667

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 = 8/15 · 7/14 = 56/210 = 0.2667

答案

P = 0.2667
6.概率

答案: σY = 1.819

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) = 0.8275, σX = 0.9097

线性变换

σY = |2|·0.9097 = 1.819

答案

σY = 1.819

均值确实会改变:E(Y) = 2·1.65 + 1 = 4.3。

7.正态分布

答案: P = 0.3075

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。

z 分数

z₁ = (30.5 − 32)/6 = −0.25
z₂ = (35.3 − 32)/6 = 0.55

中间面积

P = Φ(0.55) − Φ(−0.25) = 0.7088 − 0.4013 = 0.3075

答案

P = 0.3075
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 = −4.379 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 = 107.5 − 116.5 = −9

标准误

SE = √(20²/80 + 17²/100) = 2.809

误差范围

E = 1.645·2.809 = 4.621

区间

−9 ± 4.621 → [−13.62, −4.379]

答案

上限 = −4.379 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 = 74

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 = (2.576·5/1.5)² = 73.73

向上取整

样本量是整数,向下取整会使误差范围过大。

n = 74

答案

n = 74
11.假设检验与置信区间

答案: z = 0.6094

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 = √(6²/100 + 14²/30) = √6.893 = 2.626

检验统计量

z = (137 − 135.4)/2.626 = 0.6094

答案

z = 0.6094

|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: L = 500.1

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 = 2.576·4/√25 = 2.061

区间端点

L = 502.2 − 2.061 = 500.1

答案

L = 500.1
13.线性回归与相关

答案: r² = 0.9673

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 = 36/6 = 6
ȳ = 295/6 = 49.17

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 283
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1183

决定系数

r² = 283²/(70·1183) = 0.9673

答案

r² = 0.9673

y 的变异中约有 96.73% 可由该直线解释。

14.线性回归与相关

答案: x = 24.93

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 = 138/6 = 23
ȳ = 664/6 = 110.7

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 338

回归直线

b = 338/70 = 4.829
a = 110.7 − 4.829·23 = −0.3905
ŷ = −0.3905 + 4.829·x

解出 x

x = (120 − (−0.3905))/4.829 = 24.93

答案

x = 24.93
15.卡方检验

答案: χ² = 13.26

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: 120·40/160 = 30, 120·56/160 = 42, 120·64/160 = 48
农村: 40·40/160 = 10, 40·56/160 = 14, 40·64/160 = 16

卡方统计量

χ² = (24 − 30)²/30 + (51 − 42)²/42 + (45 − 48)²/48 + (16 − 10)²/10 + (5 − 14)²/14 + (19 − 16)²/16
χ² = 13.26

答案

χ² = 13.26

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: df = 3

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

答案

df = 3

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