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

分半信度涉及:

  1. A比较同一测验两半的得分,以检查内部一致性
  2. B把样本分成实验组和控制组,并比较两组的得分
  3. C在不同时间测试样本的两半
  4. D两名观察者各负责一半的观察时段
2.心理学研究方法困难

一项研究报告了两个人数相等的独立组的 t(28) = 2.50,p = .018。共有多少名参与者?

  1. A30
  2. B56
  3. C28
  4. D29
3.描述统计中等
101520253035404550

求数据的样本标准差 s:10, 54, 41, 53, 49, 29。

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 500,标准差为 60。数值低于 560 的比例 P 是多少?

μ = 500σ = 60x = 560
P =
5.概率中等
xp(x)100.2200.3300.3400.2μ = 25

对图中的分布,求 X 的方差 Var(X)。

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.2, 0.3, 0.3, 0.2
Var(X) =
6.概率困难
n = 7, p = 0.6: P(X = 4) = ?k01234567

一份测试有 7 道选择题。一名靠猜的学生每题答对的概率为 0.6,相互独立。恰好答对 4 题的概率 P 是多少?

n = 7p = 0.6k = 4
P =
7.正态分布中等
510 kg465.9 kgT = X₁ + … + X₆?

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 6 个的总质量超过 465.9 kg 的概率 P。z 取两位小数。

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 6> 465.9 kg
P =
8.正态分布困难
μ = 178x = ?25%

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 25% 的数据低于它(第 25 百分位数)。

μ = 178σ = 7P = 25%
x = cm
9.置信区间中等
n = 15, sd​ = 6.20LUd̄ = −9.9E = ?99%

测量 15 名患者治疗前后的血压。差值 d = 治疗前 − 治疗后 (mmHg) 的均值为 −9.9,标准差为 6.2。 求平均差值的 99% 置信区间的误差范围 E。

n = 15d̄ = −9.9sd = 6.299%t(14) = 2.977
E = mmHg
10.置信区间困难
p ≈ 0.4, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0299%

一项预研究表明,约有 0.4 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 0.02?

p ≈ 0.4E = 0.0299%
n =
11.假设检验与置信区间中等
t −2.0302.03

36 名学生的样本平均分为 203,样本标准差为 15。求 H₀: μ = 200 的检验统计量 t。

μ₀ = 200x̄ = 203s = 15n = 36
t =
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 80 名患者中有 56 人康复,接受治疗 B 的 250 名患者中有 148 人康复。用合并比例求 H₀: p₁ = p₂ 的检验统计量 z。

x₁ = 56n₁ = 80x₂ = 148n₂ = 250
z =
13.线性回归与相关中等
xy245456672885109812109xy510406080100

表中给出 6 对观测值 x = 广告支出 (k€) 和 y = 销售额 (k€)。 已给出它们的各项和。由这些和求皮尔逊相关系数 r。

n = 6Σx = 42Σy = 465Σx² = 364Σy² = 39055Σxy = 3714
r =
14.线性回归与相关困难
xy124223320417514xy24152025x = 3.5

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。 新得到一个观测值 (3.5, 22)。求其残差 e = y − ŷ。

n = 5(3.5, 22)
e =
15.卡方检验中等
咳嗽不咳嗽合计吸烟者364480不吸烟者2773100合计63117180

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 × 2
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 11 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: A · 比较同一测验两半的得分,以检查内部一致性

为什么是这个答案

如果两半测量的是同一个结构,它们的得分应高度相关。Cronbach's α 把这一思路推广到所有可能的分半方式。

答案

A · 比较同一测验两半的得分,以检查内部一致性
2.心理学研究方法

答案: A · 30

为什么是这个答案

自由度为 28 意味着有 28 + 2 = 30 名参与者,每组 15 人。

答案

A · 30
3.描述统计

答案: s = 17.12

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 = 236/6 = 39.33

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−29.33)² + 14.67² + 1.667² + 13.67² + 9.667² + (−10.33)² = 1465

标准差

s = √(1465/5) = 17.12

答案

s = 17.12
4.描述统计

答案: P = 0.8413

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

标准正态分布表

Φ(1) = 0.8413
P = 0.8413

答案

P = 0.8413
5.概率

答案: Var(X) = 105

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 = 10·0.2 + 20·0.3 + 30·0.3 + 40·0.2 = 25

平方的均值

E(X²) = 100·0.2 + 400·0.3 + 900·0.3 + 1600·0.2 = 730

方差

Var(X) = 730 − 25² = 105

答案

Var(X) = 105
6.概率

答案: P = 0.2903

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。

二项分布公式

P(X = 4) = 35·0.64·0.43 = 35·0.1296·0.064 = 0.2903

答案

P = 0.2903
7.正态分布

答案: P = 0.9332

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 = 510 kg, σT = 12·√6 = 29.39 kg

标准化

z = (465.9 − 510)/29.39 = −1.5

概率

P = 1 − Φ(−1.5) = 0.9332

答案

P = 0.9332
8.正态分布

答案: x = 173.3 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) = 0.25 → z = −0.6745

换算回 x

x = 178 + −0.6745·7 = 173.28 cm

答案

x = 173.28 cm
9.置信区间

答案: E = 4.766 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 = 14, t = 2.977

误差范围

E = 2.977·6.2/√15 = 4.766

答案

E = 4.766 mmHg
10.置信区间

答案: n = 3982

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 = 2.576²·0.4·0.6/0.02² = 3981

向上取整

n = 3982

答案

n = 3982
11.假设检验与置信区间

答案: t = 1.2

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)。

标准误

SE = 15/√36 = 15/6 = 2.5

检验统计量

t = (203 − 200)/2.5 = 1.2

答案

t = 1.2
t0.025; df = 35 = 2.03

|t| < 2.03,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: z = 1.731

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 = 56/80 = 0.7
p̂₂ = 148/250 = 0.592
p̂ = 204/330 = 0.6182

H₀ 下的标准误

SE = √(0.6182·0.3818·(1/80 + 1/250)) = 0.06241

检验统计量

z = (0.7 − 0.592)/0.06241 = 1.731

答案

z = 1.731

|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 = 0.9987

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 = 3714 − 42·465/6 = 459
Sxx = 364 − 42²/6 = 70
Syy = 39055 − 465²/6 = 3018

相关系数

r = 459/√(70·3018) = 0.9987

答案

r = 0.9987
14.线性回归与相关

答案: e = 3.7

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 = 98/5 = 19.6

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −26

回归直线

b = −26/10 = −2.6
a = 19.6 − (−2.6)·3 = 27.4
ŷ = 27.4 − 2.6·x

预测值

ŷ = 27.4 + (−2.6)·3.5 = 18.3

残差

e = 22 − 18.3 = 3.7

答案

e = 3.7

该点位于直线上方。

15.卡方检验

答案: χ² = 6.33

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

吸烟者: 80·63/180 = 28, 80·117/180 = 52
不吸烟者: 100·63/180 = 35, 100·117/180 = 65

卡方统计量

χ² = (36 − 28)²/28 + (44 − 52)²/52 + (27 − 35)²/35 + (73 − 65)²/65
χ² = 6.33

答案

χ² = 6.33

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

16.卡方检验

答案: χ²crit = 18.31

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)·(11 − 1) = 10

表

χ²crit(df = 10, α = 0.05) = 18.307

答案

χ²crit = 18.307

若计算出的 χ² 大于该值,则拒绝 H₀。

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