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

一名学生在一项平均数为 100、标准差为 15 的测验中得了 130 分。z 分数是多少?

  1. A3.0
  2. B2.0
  3. C0.5
  4. D1.5
2.心理学研究方法困难

为什么要报告科恩 d 等效应量指标?

  1. A它们取代了任何假设的必要性
  2. B它们说明有多少参与者退出
  3. C它们显示结果在选定的 alpha 水平上是否具有统计显著性
  4. D它们显示效应有多大,而不受样本量影响
3.描述统计中等
2530354045

求数据的样本标准差 s:21, 24, 48, 37, 47, 45。

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 100,标准差为 20。数值高于 108 的比例 P 是多少?

μ = 100σ = 20x = 108
P =
5.概率中等
xp(x)00.3520.2540.160.3μ = 2.7

对图中的分布,求 X 的标准差 σ。

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0.35, 0.25, 0.1, 0.3
σ =
6.概率困难
n = 6, p = 0.4: P(X ≤ 1) = ?k0123456

测试 6 个元件,每个独立地以概率 0.4 失效。至多一个失效的概率 P 是多少?

n = 6p = 0.4
P =
7.正态分布中等
48 kg48.8 kgT = X₁ + … + X₄?

箱子的质量相互独立,服从均值 12 kg、标准差 0.8 kg 的正态分布。求其中 4 个的总质量低于 48.8 kg 的概率 P。z 取两位小数。

μ = 12 kgσ = 0.8 kgn = 4< 48.8 kg
P =
8.正态分布困难
10 g0X − Y?

1 号生产线产品的质量 X 与 2 号生产线产品的质量 Y相互独立且服从正态分布:X 的均值为 500 g,标准差为 8 g,Y 的均值为 490 g,标准差为 6 g。求 X 大于 Y 的概率 P。z 取两位小数。

μX = 500 g, σX = 8 gμY = 490 g, σY = 6 g
P =
9.置信区间中等
x̄E₁ = 2.295%, n = 50x̄E₂ = ?90%, n = 50

基于 50 个观测值且 σ 已知的均值 95% 置信区间,其误差范围为 2.2。 用同样的数据计算 90% 区间,其误差范围 E₂ 是多少?

95%n₁ = 50E₁ = 2.290%
E₂ =
10.置信区间困难
σ = 36, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 490%

总体标准差为 36。样本量 n 至少要多大,才能使均值的 90% 置信区间的误差范围不超过 4?

σ = 36E = 490%
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 141 mm,该生产线的已知标准差为 16 mm。生产线 2:80 个零件的样本均值为 135.2 mm,已知标准差为 20 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 = 141 mmσ₁ = 16 mmn₂ = 80x̄₂ = 135.2 mmσ₂ = 20 mm
z =
12.假设检验与置信区间困难
μ₀x̄c

在 α = 0.05 下,用容量为 36 的样本对 H₀: μ = 50 与 H₁: μ < 50 进行单侧 z 检验;已知标准差为 6。实际上均值为 46.8。 求该检验的功效 1 − β,以百分比表示。

μ₀ = 50μ = 46.8σ = 6n = 36α = 0.05
1 − β = %
13.线性回归与相关中等
xy2941562082910371241xy51010203040

表中给出 6 对观测值 x = 荷载 (kN) 和 y = 伸长量 (mm)。 求皮尔逊相关系数 r。

n = 6
r =
14.线性回归与相关困难
xy126222321421520xy2420222426x = 2.5

表中给出 5 对观测值 x = 车龄(年) 和 y = 价格 (k€)。 使用最小二乘直线 ŷ = a + b·x。 预测 x = 2.5 时的 ŷ。

n = 5x = 2.5
ŷ =
15.卡方检验中等
是否合计男性5941100女性251540合计8456140

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 = 1402 × 2
χ² =
16.卡方检验困难
是否合计18–30 岁52288031–50 岁30104051 岁及以上263460合计10872180dfα = 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 = 0.05 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 = 0.05
χ² =

3溶液

1.心理学研究方法

答案: B · 2.0

为什么是这个答案

(130 − 100) / 15 = 2。该分数比平均数高两个标准差,高于约 97–98% 的人。

答案

B · 2.0
2.心理学研究方法

答案: D · 它们显示效应有多大,而不受样本量影响

为什么是这个答案

在大样本中,极小的效应也可能显著。效应量表示差异的大小,例如 d = 0.2 为小,0.5 为中,0.8 为大。

答案

D · 它们显示效应有多大,而不受样本量影响
3.描述统计

答案: s = 11.92

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 = 222/6 = 37

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−16)² + (−13)² + 11² + 0² + 10² + 8² = 710

标准差

s = √(710/5) = 11.92

答案

s = 11.92
4.描述统计

答案: P = 0.3446

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 = 0.4

标准正态分布表

Φ(0.4) = 0.6554
P = 1 − 0.6554 = 0.3446

答案

P = 0.3446
5.概率

答案: σ = 2.472

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 = 0·0.35 + 2·0.25 + 4·0.1 + 6·0.3 = 2.7

平方的均值

E(X²) = 0·0.35 + 4·0.25 + 16·0.1 + 36·0.3 = 13.4

方差

Var(X) = 13.4 − 2.7² = 6.11
σ = √6.11 = 2.472

答案

σ = 2.472
6.概率

答案: P = 0.2333

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) = 0.66 = 0.04666
P(X = 1) = 6·0.4·0.65 = 0.1866

相加

P = 0.04666 + 0.1866 = 0.2333

答案

P = 0.2333
7.正态分布

答案: P = 0.6915

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 = 48 kg, σT = 0.8·√4 = 1.6 kg

标准化

z = (48.8 − 48)/1.6 = 0.5

概率

P = Φ(0.5) = 0.6915

答案

P = 0.6915
8.正态分布

答案: P = 0.8413

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 = 500 − 490 = 10 g, σ = 10 g

标准化

z = (0 − 10)/10 = −1

概率

P = 1 − Φ(−1) = 0.8413

答案

P = 0.8413
9.置信区间

答案: E₂ = 1.846

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 = (1.645/1.96)·√(50/50) = 0.8393

新的误差范围

E₂ = 2.2·0.8393 = 1.846

答案

E₂ = 1.846
10.置信区间

答案: n = 220

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 = (1.645·36/4)² = 219.2

向上取整

样本量是整数,向下取整会使误差范围过大。

n = 220

答案

n = 220
11.假设检验与置信区间

答案: z = 2.109

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 = √(16²/100 + 20²/80) = √7.56 = 2.75

检验统计量

z = (141 − 135.2)/2.75 = 2.109

答案

z = 2.109

|z| > 1.96,所以在 5% 水平下拒绝 H₀(双侧)。

12.假设检验与置信区间

答案: 1 − β = 94 %

检验功效:功效 = 1 − β,是 H₀ 为假时拒绝 H₀ 的概率。由 μ₀ 和 z_α 求出临界值 x̄c,再用真实均值计算落在 x̄c 以外的概率:z = (x̄c − μ)/(σ/√n)。

临界样本均值

SE = 6/√36 = 1
x̄c = 50 − 1.645·1 = 48.35

真实均值下的 z

z = (48.35 − 46.8)/1 = 1.555

功率

功效 = P(Z < 1.555) = 94%
1 − β = 94%

答案

1 − β = 94%
13.线性回归与相关

答案: r = 0.995

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 = 151/6 = 25.17

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 235
Syy = Σ(y − ȳ)² = 796.8

相关系数

r = 235/√(70·796.8) = 0.995

答案

r = 0.995
14.线性回归与相关

答案: ŷ = 22.65

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 = 15/5 = 3
ȳ = 110/5 = 22

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −13

回归直线

b = −13/10 = −1.3
a = 22 − (−1.3)·3 = 25.9
ŷ = 25.9 − 1.3·x

预测

ŷ = 25.9 + (−1.3)·2.5 = 22.65

答案

ŷ = 22.65
15.卡方检验

答案: χ² = 0.1458

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

男性: 100·84/140 = 60, 100·56/140 = 40
女性: 40·84/140 = 24, 40·56/140 = 16

卡方统计量

χ² = (59 − 60)²/60 + (41 − 40)²/40 + (25 − 24)²/24 + (15 − 16)²/16
χ² = 0.1458

答案

χ² = 0.1458

df = 1。在 α = 0.05 时临界值为 3.841,所以 H₀(独立)不被拒绝。

16.卡方检验

答案: χ² = 11.53

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: 48, 32
31–50 岁: 24, 16
51 岁及以上: 36, 24

卡方统计量

χ² = (52 − 48)²/48 + (28 − 32)²/32 + (30 − 24)²/24 + (10 − 16)²/16 + (26 − 36)²/36 + (34 − 24)²/24
χ² = 11.53

决策

df = 2, χ²crit = 5.991
11.53 > 5.991

答案

χ² = 11.53

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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