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

比较两个独立组的平均数、且等距数据近似正态时,适合使用哪种检验?

  1. A独立样本 t 检验
  2. B威尔科克森符号秩检验
  3. C皮尔逊相关
  4. D卡方检验
2.心理学研究方法困难

实验中把参与者随机分配到各条件的主要目的是什么?

  1. A使被试变量均匀分布,避免它们混淆结果
  2. B提高应答率
  3. C使样本能代表目标总体,从而使结果可以推广
  4. D确保参与者不知道研究目的
3.描述统计中等
2025303540

求数据的样本标准差 s:44, 24, 23, 44, 22, 19。

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 15。数值低于 55 的比例 P 是多少?

μ = 70σ = 15x = 55
P =
5.概率中等
xp(x)10.2520.1530.240.250.2μ = 2.95

对图中的分布,求 X 的标准差 σ。

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0.25, 0.15, 0.2, 0.2, 0.2
σ =
6.概率困难
n = 12, p = 0.25: P(X ≤ 1) = ?k0123456789101112

测试 12 个元件,每个独立地以概率 0.25 失效。至多一个失效的概率 P 是多少?

n = 12p = 0.25
P =
7.正态分布中等
192 kg195.2 kgT = X₁ + … + X₁₆?

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 16 个的总质量超过 195.2 kg 的概率 P。z 取两位小数。

μ = 12 kgσ = 0.8 kgn = 16> 195.2 kg
P =
8.正态分布困难
557085100115130145分顶部 80%

智商分数 服从正态分布,均值为 100 分,标准差为 15 分。拖动截断值,使阴影的前 80% 位于其右侧。求截断值 x。

μ = 100 分σ = 15 分80%
x = 分
9.置信区间中等
x̄E₁ = 1.495%, n = 100x̄E₂ = ?95%, n = 900

基于 100 个观测值且 σ 已知的均值 95% 置信区间,其误差范围为 1.4。 如果同一研究改用 900 个观测值,误差范围 E₂ 是多少?

95%n₁ = 100E₁ = 1.4n₂ = 900
E₂ =
10.置信区间困难
μ₁ − μ₂, t(14) = 1.7610L = ?Ux̄₁ − x̄₂E90%

对两种肥料进行试验。地块组 1:11 块地,平均产量 15 kg,标准差 6.5 kg。地块组 2:5 块地,均值 24 kg,标准差 1 kg。假设方差相等(合并 t,df = n₁ + n₂ − 2)。 求 μ₁ − μ₂ 的 90% 置信区间的下限。

n₁ = 11x̄₁ = 15s₁ = 6.5n₂ = 5x̄₂ = 24s₂ = 190%t(14) = 1.761
下限 = kg
11.假设检验与置信区间中等
−2.1452.145t = ?df = 14

比较两种教学方法。第 1 组:7 名学生,平均分 102,标准差 9。第 2 组:9 名学生,平均分 96.2,标准差 10。假设总体方差相等,使用合并方差的两样本 t 检验。取差值为 x̄₁ − x̄₂(第 1 组减第 2 组),求 H₀: μ₁ = μ₂ 的检验统计量 t。

n₁ = 7x̄₁ = 102s₁ = 9n₂ = 9x̄₂ = 96.2s₂ = 10
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 200 名患者中有 50 人康复,接受治疗 B 的 300 名患者中有 105 人康复。用合并比例求 H₀: p₁ = p₂ 的检验统计量 z。

x₁ = 50n₁ = 200x₂ = 105n₂ = 300
z =
13.线性回归与相关中等
xy264359472569680789xy24660708090

表中给出 6 对观测值 x = 学习小时数 和 y = 考试成绩。 已给出它们的各项和。由这些和求皮尔逊相关系数 r。

n = 6Σx = 27Σy = 433Σx² = 139Σy² = 31843Σxy = 2041
r =
14.线性回归与相关困难
xy157262373476585688xy24660708090x = 4.5

表中给出 6 对观测值 x = 学习小时数 和 y = 考试成绩。 使用最小二乘直线 ŷ = a + b·x。 新得到一个观测值 (4.5, 78)。求其残差 e = y − ŷ。

n = 6(4.5, 78)
e =
15.卡方检验中等
咳嗽不咳嗽合计吸烟者592180不吸烟者73340合计6654120

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 = 1202 × 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

一个卡方拟合优度检验检验 6 个类别的频数是否服从泊松分布,其均值由同一组数据估计。 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 · 独立样本 t 检验

为什么是这个答案

独立样本 t 检验比较两个组的平均数。卡方检验用于频数;威尔科克森检验用于非参数数据的相关样本。

答案

A · 独立样本 t 检验
2.心理学研究方法

答案: A · 使被试变量均匀分布,避免它们混淆结果

为什么是这个答案

随机分配平衡了各条件间的个体差异,支持因果结论;随机抽样则关系到向总体的推广。

答案

A · 使被试变量均匀分布,避免它们混淆结果
3.描述统计

答案: s = 11.48

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 = 176/6 = 29.33

离差平方

Σ(x − x̄)² = 14.67² + (−5.333)² + (−6.333)² + 14.67² + (−7.333)² + (−10.33)² = 659.3

标准差

s = √(659.3/5) = 11.48

答案

s = 11.48
4.描述统计

答案: P = 0.1587

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) = 0.1587
P = 0.1587

答案

P = 0.1587
5.概率

答案: σ = 1.465

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 = 1·0.25 + 2·0.15 + 3·0.2 + 4·0.2 + 5·0.2 = 2.95

平方的均值

E(X²) = 1·0.25 + 4·0.15 + 9·0.2 + 16·0.2 + 25·0.2 = 10.85

方差

Var(X) = 10.85 − 2.95² = 2.147
σ = √2.147 = 1.465

答案

σ = 1.465
6.概率

答案: P = 0.1584

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) = 0.7512 = 0.03168
P(X = 1) = 12·0.25·0.7511 = 0.1267

相加

P = 0.03168 + 0.1267 = 0.1584

答案

P = 0.1584
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 = 192 kg, σT = 0.8·√16 = 3.2 kg

标准化

z = (195.2 − 192)/3.2 = 1

概率

P = 1 − Φ(1) = 0.1587

答案

P = 0.1587
8.正态分布

答案: x = 87.4 分

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。

左侧的面积

Φ(z) = 0.2

由表得到的 z

z ≈ −0.84

回到原来的单位

x = 100 − 0.84·15 = 87.4 分

答案

x = 87.4 分
9.置信区间

答案: E₂ = 0.4667

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)·√(100/900) = 0.3333

新的误差范围

E₂ = 1.4·0.3333 = 0.4667

答案

E₂ = 0.4667
10.置信区间

答案: 下限 = −14.24 kg

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.

合并标准差

sp² = (10·6.5² + 4·1²)/14 = 30.46
sp = 5.519

误差范围

E = 1.761·5.519·√(1/11 + 1/5) = 5.242

区间

−9 ± 5.242 → [−14.24, −3.758]

答案

下限 = −14.24 kg
11.假设检验与置信区间

答案: t = 1.201

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.

合并方差

sp² = (6·9² + 8·10²)/14 = 91.86
sp = 9.584

标准误

SE = 9.584·√(1/7 + 1/9) = 4.83

检验统计量

t = (102 − 96.2)/4.83 = 1.201

答案

t = 1.201

df = 14 时,双侧 5% 的临界值为 2.145;|t| 更小,所以不拒绝 H₀。

12.假设检验与置信区间

答案: z = −2.369

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 = 50/200 = 0.25
p̂₂ = 105/300 = 0.35
p̂ = 155/500 = 0.31

H₀ 下的标准误

SE = √(0.31·0.69·(1/200 + 1/300)) = 0.04222

检验统计量

z = (0.25 − 0.35)/0.04222 = −2.369

答案

z = −2.369

|z| > 1.96,所以在 5% 水平下拒绝 H₀(双侧)。

13.线性回归与相关

答案: r = 0.9066

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 = 2041 − 27·433/6 = 92.5
Sxx = 139 − 27²/6 = 17.5
Syy = 31843 − 433²/6 = 594.8

相关系数

r = 92.5/√(17.5·594.8) = 0.9066

答案

r = 0.9066
14.线性回归与相关

答案: e = −1.986

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 = 441/6 = 73.5

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 113.5

回归直线

b = 113.5/17.5 = 6.486
a = 73.5 − 6.486·3.5 = 50.8
ŷ = 50.8 + 6.486·x

预测值

ŷ = 50.8 + 6.486·4.5 = 79.99

残差

e = 78 − 79.99 = −1.986

答案

e = −1.986

该点位于直线下方。

15.卡方检验

答案: χ² = 34.09

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: 80·66/120 = 44, 80·54/120 = 36
不吸烟者: 40·66/120 = 22, 40·54/120 = 18

卡方统计量

χ² = (59 − 44)²/44 + (21 − 36)²/36 + (7 − 22)²/22 + (33 − 18)²/18
χ² = 34.09

答案

χ² = 34.09

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 = 9.488

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 = 6 − 1 − 1 = 4

表

χ²crit(df = 4, α = 0.05) = 9.488

答案

χ²crit = 9.488

若计算出的 χ² 大于该值,则拒绝 H₀。

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