{"id":1399,"date":"2023-01-26T19:29:34","date_gmt":"2023-01-26T19:29:34","guid":{"rendered":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/?p=1399"},"modified":"2024-01-28T02:56:22","modified_gmt":"2024-01-28T02:56:22","slug":"stochastic-trace-estimation","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2023\/01\/26\/stochastic-trace-estimation\/","title":{"rendered":"Stochastic Trace Estimation"},"content":{"rendered":"\n<p>I am delighted to share that me, <a href=\"https:\/\/tropp.caltech.edu\">Joel A. Tropp<\/a>, and <a href=\"https:\/\/rwebber.people.caltech.edu\">Robert J. Webber<\/a>&#8216;s paper <em><a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2301.07825\">XTrace: Making the Most of Every Sample in Stochastic Trace Estimation<\/a><\/em> has recently been released as a preprint on arXiv. In it, we consider the implicit trace estimation problem:<\/p>\n\n\n\n<blockquote class=\"wp-block-quote is-layout-flow wp-block-quote-is-layout-flow\"><p><strong>Implicit trace estimation problem:<\/strong> Given access to a square matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> via the matrix\u2013vector product operation <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a93fd41a76fd5047f6d1d9c529ef146f_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#92;&#109;&#97;&#112;&#115;&#116;&#111;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"63\" style=\"vertical-align: -1px;\"\/>, estimate its trace <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-72183813b94cfcc03d28a9af62036c3d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#105;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"121\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>.<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n<p>Algorithms for this task have many uses such as <a href=\"https:\/\/doi.org\/10.1007\/s00211-017-0880-z\">log-determinant computations in machine learning<\/a>, <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2301.07825\">partition function calculations in statistical physics<\/a>, and <a href=\"https:\/\/doi.org\/10.1007\/BF01395775\">generalized cross validation for smoothing splines<\/a>. I described another application to <a href=\"https:\/\/doi.org\/10.1002\/widm.1226\">counting triangles in a large network<\/a> in <a href=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2022\/08\/02\/big-ideas-in-applied-math-concentration-inequalities\/\">a previous blog post<\/a>.<\/p>\n\n\n\n<p>Our paper presents new trace estimators XTrace and XNysTrace which are highly efficient, producing accurate trace approximations using a small budget of matrix\u2013vector products. In addition, these algorithms are <a href=\"https:\/\/github.com\/eepperly\/XTrace\">fast to run<\/a> and are supported by theoretical results which explain their excellent performance. I really hope that you will check out <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2301.07825\">the paper<\/a> to learn more about these estimators!<\/p>\n\n\n\n<p>For the rest of this post, I&#8217;m going to talk about the most basic stochastic trace estimation algorithm, the <a href=\"https:\/\/doi.org\/10.1007\/BF01395775\">Girard<\/a>\u2013<a href=\"https:\/\/doi.org\/10.1080\/03610918908812806\">Hutchinson<\/a> estimator. This seemingly simple algorithm exhibits a number of nuances and forms the backbone for more sophisticated trace estimates such as <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2010.09649\">Hutch++<\/a>, <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2109.10659\">Nystr\u00f6m++<\/a>, <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2301.07825\">XTrace, and XNysTrace<\/a>. Toward the end, this blog post will be fairly mathematical, but I hope that the beginning will be fairly accessible to all.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Girard\u2013Hutchinson Estimator: The Basics<\/h2>\n\n\n\n<p>The <a href=\"https:\/\/doi.org\/10.1007\/BF01395775\">Girard<\/a>\u2013<a href=\"https:\/\/doi.org\/10.1080\/03610918908812806\">Hutchinson<\/a> estimator for the trace of a square matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 49px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (1) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a287886ee24c9ab99dfe35b6cdae83cf_l3.png\" height=\"49\" width=\"141\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#109;&#125;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#109;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#46;&#32;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Here, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are random vectors, usually chosen to be <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Independence_(probability_theory)\">statistically independent<\/a>, and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c15a9e678f5eb8ef071c71b328820967_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#123;&#125;&#94;&#42;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"6\" width=\"6\" style=\"vertical-align: 6px;\"\/> denotes the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Conjugate_transpose\">conjugate transpose<\/a> of a vector or matrix. The Girard\u2013Hutchinson estimator only depends on the matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> through the matrix\u2013vector products <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-ed5326fc9279c538f94191e02616766c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"17\" width=\"107\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Unbiasedness<\/h3>\n\n\n\n<p>Provided the random vectors are <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Isotropic_position\"><em>isotropic<\/em><\/a><\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (2) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-74bb76367ad1408bd538d049774cf990_l3.png\" height=\"19\" width=\"95\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#93;&#32;&#61;&#32;&#73;&#44;&#32;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>the Girard\u2013Hutchinson estimator is <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Bias_of_an_estimator\">unbiased<\/a>:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 23px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (3) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f6407c7a741003cc20780e72d050cb56_l3.png\" height=\"23\" width=\"93\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#91;&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Let us confirm this claim in some detail. First, we use <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Expected_value#Properties\">linearity of expectation<\/a> to evaluate<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 54px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (4) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52eebd003a597cac5b2c69f7b6e537e8_l3.png\" height=\"54\" width=\"350\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#91;&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#109;&#125;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#109;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#109;&#125;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#109;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#46;&#32;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Therefore, to prove that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-96f71a1b054ffed9e316cf9cb7a16c5c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#91;&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"22\" width=\"89\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, it is sufficient to prove that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-120169dca277175c51f09b6f320cf5fa_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"127\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> for each <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4015d3bcae440238eb2e7a73e66bae43_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"6\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<p>When working with traces, there are two tricks that solve 90% of derivations. The first trick is that, if we view a number as a <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4ac03eedd19f9d68a98d70f3ba365091_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#92;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"38\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> matrix, then a number equals its trace, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-47a117fddb717889a789e2c962ce116f_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"61\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. The second trick is the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Trace_(linear_algebra)#Trace_of_a_product\">cyclic property<\/a>: For a <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-239d15fda7528ef61de6ea61c4a6f288_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#107;&#92;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#112;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"40\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-06d2c1a5a171b6d7d9c5df87d123c5a4_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#66;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> and a <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-559c17852d79af7a7250b65f54f3eb33_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#112;&#92;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#107;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"41\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52134c3741ef3371f17ceb962d0792f6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#67;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, we have <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-354dba28a40f94fc4ae9fdfc1d3f8805_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#116;&#114;&#32;&#40;&#66;&#67;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#40;&#67;&#66;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"135\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. The cyclic property <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Trace_(linear_algebra)#Cyclic_property\">should be handled with care<\/a> when one works with a product of three or more matrices. For instance, we have<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cc1cd4920a2431e93b5453b5373999e3_l3.png\" height=\"19\" width=\"371\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#116;&#114;&#91;&#66;&#67;&#68;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#91;&#40;&#66;&#67;&#41;&#68;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#91;&#68;&#40;&#66;&#67;&#41;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#91;&#68;&#66;&#67;&#93;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>However,<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 18px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f563660fc58383a37ae7bedea16b2b9c_l3.png\" height=\"18\" width=\"255\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#116;&#114;&#32;&#91;&#66;&#67;&#68;&#93;&#32;&#92;&#110;&#101;&#32;&#92;&#116;&#114;&#91;&#67;&#66;&#68;&#93;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#105;&#110;&#32;&#103;&#101;&#110;&#101;&#114;&#97;&#108;&#125;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>One should think of the matrix product <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b5bb86f0ebbd7a8f764e68cf46be74eb_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#66;&#67;&#68;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"43\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> as beads on a closed loop of string. One can move the last bead <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-ab69a4a7716bbf890e5f604a06fd1f13_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#68;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"15\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> to the front of the other two, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7656627b133add21ab8765532def07d6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#116;&#114;&#32;&#91;&#66;&#67;&#68;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#91;&#68;&#66;&#67;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"156\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, but not interchange two beads, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0f43e4f72510a69b596f7b9f7504dd58_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#116;&#114;&#91;&#66;&#67;&#68;&#93;&#32;&#92;&#110;&#101;&#32;&#92;&#116;&#114;&#91;&#67;&#66;&#68;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"156\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<p>With this trick in hand, let&#8217;s return to proving that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-120169dca277175c51f09b6f320cf5fa_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"127\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> for every <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4015d3bcae440238eb2e7a73e66bae43_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"6\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. Apply our two tricks:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b1bb373766e64179bc0635f058a07f3f_l3.png\" height=\"19\" width=\"309\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>The expectation is a <em>linear<\/em> operation and the matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is non-random, so we can bring the expectation into the trace as<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1d10f835c99efab005f0ad12cdb5647b_l3.png\" height=\"19\" width=\"315\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#93;&#32;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Invoke the isotropy condition (2) and conclude:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b51781498146df3547c1503e451ad682_l3.png\" height=\"19\" width=\"340\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#93;&#32;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#73;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Plugging this into (4) confirms the unbiasedness claim (3).<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Variance<\/h3>\n\n\n\n<p>Continue to assume that the <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4584feea347e33dc390727a7db596f5f_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"11\" width=\"16\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/>&#8216;s are isotropic (3) and now assume that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are independent. <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Variance#Linear_combinations\">By independence<\/a>, the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Variance\">variance<\/a> can be written as<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 49px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d9398dc43178ba9bb72aead0214e77c8_l3.png\" height=\"49\" width=\"233\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#109;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#109;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Assuming that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are <em>identically distributed<\/em> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4ed5544c33c89543ec548b4a74bc0563_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;&#32;&#92;&#115;&#105;&#109;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"117\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>, we then get<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 36px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4501a18842234362f8f99d523c7c723e_l3.png\" height=\"36\" width=\"191\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#109;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>The variance decreases like <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-5ffaeb59142daea267b37aa54360080a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#47;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"32\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, which is characteristic of <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Monte_Carlo_method\"><em>Monte Carlo<\/em>-type algorithms<\/a>. Since <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-73419300cbdf7c3bc535ccb1e5b66722_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"17\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is unbiased (i.e, (3)), this means that the mean <em>square<\/em> error decays like <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-5ffaeb59142daea267b37aa54360080a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#47;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"32\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> so the average error (more precisely root-mean-square error) decays like<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c735791b8fe88d627bc2ebad8137fb1e_l3.png\" height=\"41\" width=\"147\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#124;&#32;&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;&#32;&#45;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#124;&#32;&#92;&#108;&#101;&#115;&#115;&#97;&#112;&#112;&#114;&#111;&#120;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#114;&#109;&#123;&#99;&#111;&#110;&#115;&#116;&#125;&#125;&#123;&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#109;&#125;&#125;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>This type of convergence is very slow. If I want to decrease the error by a factor of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8935d5849431b3973c99815fbdce271a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#48;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"17\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, I must do <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52a39081981f5500daa5c806d1b1e864_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#48;&#48;&#92;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"38\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> the work!<\/p>\n\n\n\n<p>Variance-reduced trace estimators like <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2010.09649\">Hutch++<\/a> and <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2301.07825\">our new trace estimator XTrace<\/a> improve the rate of convergence substantially. Even in the worst case, Hutch++ and XTrace reduce the variance at a rate <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4c3772cf94deba5ffd91530e05abbd54_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#47;&#109;&#94;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"40\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and (root-mean-square) error at rates <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-5ffaeb59142daea267b37aa54360080a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#47;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"32\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 36px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-87438d87094d3df389400b5f7abee24a_l3.png\" height=\"36\" width=\"427\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;&#95;&#123;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#72;&#43;&#43;&#32;&#111;&#114;&#32;&#88;&#125;&#125;&#41;&#32;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#114;&#109;&#123;&#99;&#111;&#110;&#115;&#116;&#125;&#125;&#123;&#109;&#94;&#50;&#125;&#44;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#124;&#32;&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;&#95;&#123;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#72;&#43;&#43;&#32;&#111;&#114;&#32;&#88;&#125;&#125;&#32;&#45;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#124;&#32;&#92;&#108;&#101;&#115;&#115;&#97;&#112;&#112;&#114;&#111;&#120;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#114;&#109;&#123;&#99;&#111;&#110;&#115;&#116;&#125;&#125;&#123;&#109;&#125;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>For matrices with rapidly decreasing singular values, the variance and error can decrease much faster than this.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Variance Formulas<\/h2>\n\n\n\n<p>As the rate of convergence for the Girard\u2013Hutchinson estimator is so slow, it is imperative to pick a distribution on test vectors <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> that makes the variance of the single\u2013sample estimate <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e521231a96eb7ffa609a844ced5b7456_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"43\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> as low as possible. In this section, we will provide several explicit formulas for the variance of the Girard\u2013Hutchinson estimator. Derivations of these formulas will appear at the end of this post. These variance formulas help illuminate the benefits and drawbacks of different test vector distributions.<\/p>\n\n\n\n<p>To express the formulas, we will need some notation. For a complex number <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-eb2eb6b672193a521993c503b9f74dd6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#122;&#32;&#61;&#32;&#97;&#32;&#43;&#32;&#98;&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"78\" style=\"vertical-align: -2px;\"\/> we use <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-829cf15a6395f79e2badf33c74794d85_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#82;&#101;&#40;&#122;&#41;&#32;&#61;&#32;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"76\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-851dfe8e6a668243915a952a20fc368f_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#73;&#109;&#40;&#122;&#41;&#32;&#61;&#32;&#98;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"76\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> to denote the real and imaginary parts. The variance of a random complex number <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-fab4c39805a4ffa76218c5524e1b6e66_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#122;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8f636667a7dbbb3217896a962de1d28c_l3.png\" height=\"22\" width=\"359\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#122;&#41;&#32;&#58;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#124;&#122;&#32;&#45;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#122;&#124;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#82;&#101;&#32;&#122;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#73;&#109;&#32;&#122;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>The <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Matrix_norm#Frobenius_norm\">Frobenius norm<\/a> of a matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e132e4b9029c41dbfb99cd0e588d8d70_l3.png\" height=\"41\" width=\"137\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#44;&#106;&#125;&#32;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>If <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Symmetric_matrix\">real symmetric<\/a> or <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Hermitian_matrix\">complex Hermitian<\/a> with (<a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Spectral_theorem\">real<\/a>) eigenvalues <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1f56841840850ad8399f6deaa7722d74_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"75\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>, we have<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 49px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (5) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-06b272e602552353c020f6399347c748_l3.png\" height=\"49\" width=\"113\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#46;&#32;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7727b19afb6ba38f46a8d54db9fe3bf8_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"23\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> denotes the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Transpose\">ordinary transpose<\/a> of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2e6f04c5e73fd969ae577284f13bbce3_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#94;&#42;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"19\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> denotes the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Conjugate_transpose\">conjugate transpose<\/a> of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Real-Valued Test Vectors<\/h3>\n\n\n\n<p>We first focus on real-valued test vectors <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. Since <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is real, we can use the ordinary transpose <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0891b36c744e320081b679d0408bd179_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#123;&#125;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"9\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 6px;\"\/> rather than the conjugate transpose <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c15a9e678f5eb8ef071c71b328820967_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#123;&#125;&#94;&#42;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"6\" width=\"6\" style=\"vertical-align: 6px;\"\/>. Since <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-ab991420d8b5c682a2929ea7089854d7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"47\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is a number, it is equal to its own transpose:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3d543dc0d4d64d3c28f0f291cd9c8e83_l3.png\" height=\"22\" width=\"233\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#61;&#32;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#61;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Therefore,<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 45px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f1bbe4f0c983f73e2461b593b752f54a_l3.png\" height=\"45\" width=\"363\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#43;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#123;&#50;&#125;&#32;&#61;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#65;&#32;&#43;&#32;&#65;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#125;&#123;&#50;&#125;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>The Girard\u2013Hutchinson trace estimator applied to <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is the same as the Girard\u2013Hutchinson estimator applied to the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Symmetric_matrix#Decomposition_into_symmetric_and_skew-symmetric\">symmetric part<\/a> of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-37d97a0b62532c584a9d144c3a823fb7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#65;&#43;&#65;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#41;&#47;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"90\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<p>For the following results, assume <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is symmetric, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-774e6c95466cff908f1b3a49dd0a3405_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#32;&#61;&#32;&#65;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"60\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<ol class=\"wp-block-list\"><li><strong>Real Gaussian:<\/strong> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are independent <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Multivariate_normal_distribution#Standard_normal_random_vector\">standard normal random vectors<\/a>. <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-091cf638fab943be5fd224acdb42668f_l3.png\" height=\"22\" width=\"173\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/li><li><strong>Uniform signs (Rademachers):<\/strong> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are independent random vectors with uniform <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7b7086fe465164ee1c46f7c8b3f43eaf_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#109;&#32;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"22\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Rademacher_distribution\">coordinates<\/a>. <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-74621dad79cb3f06a8b70c661df4e01d_l3.png\" height=\"41\" width=\"200\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#92;&#110;&#101;&#32;&#106;&#125;&#32;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/li><li><strong>Real sphere:<\/strong> Assume <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-398352b09753dc54c54505e4b4c4db0a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"77\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are uniformly distributed on the real sphere of radius <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0bbb71c94391d90ce47d108084081941_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#110;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"25\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>: <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-116b267d96af87560937b4688a7504b4_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#109;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#85;&#110;&#105;&#102;&#111;&#114;&#109;&#125;&#32;&#92;&#123;&#120;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#82;&#125;&#94;&#110;&#32;&#58;&#32;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#120;&#32;&#61;&#32;&#110;&#92;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"251\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 43px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1e419b8da9b953a0b8b914df9e89f8c6_l3.png\" height=\"43\" width=\"322\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#50;&#110;&#125;&#123;&#110;&#43;&#50;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#110;&#125;&#32;&#124;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#124;&#94;&#50;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/li><\/ol>\n\n\n\n<p>These formulas continue to hold for nonsymmetric <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> by replacing <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> by its symmetric part <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-37d97a0b62532c584a9d144c3a823fb7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#65;&#43;&#65;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#41;&#47;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"90\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> on the right-hand sides of these variance formulas.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Complex-Valued Test Vectors<\/h3>\n\n\n\n<p>We now move our focus to complex-valued test vectors <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. As a rule of thumb, one should typically expect that the variance for complex-valued test vectors applied to a real symmetric matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is about half the natural real counterpart\u2014e.g., for complex Gaussians, you get about half the variance than with real Gaussians.<\/p>\n\n\n\n<p>A square complex matrix has a <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Hermitian_matrix#Decomposition_into_Hermitian_and_skew-Hermitian_matrices\">Cartesian decomposition<\/a><\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d61da43cd6497ceefd2306aabb52ee67_l3.png\" height=\"19\" width=\"120\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#65;&#32;&#61;&#32;&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#72;&#125;&#32;&#43;&#32;&#105;&#32;&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#83;&#72;&#125;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>where<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 37px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-dc287a49a59dca9421fdd2bef6be5334_l3.png\" height=\"37\" width=\"247\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#72;&#125;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#65;&#43;&#65;&#94;&#42;&#125;&#123;&#50;&#125;&#32;&#44;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#83;&#72;&#125;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#65;&#32;&#45;&#32;&#65;&#94;&#42;&#125;&#123;&#50;&#105;&#125;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>denote the Hermitian and skew-Hermitian parts of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. Similar to how the <em>imaginary part<\/em> of a complex number is <em>real<\/em>, the <em>skew-Hermitian<\/em> part of a complex matrix is <em>Hermitian<\/em> (and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-45f94cc954beff82d2208a2016e04e20_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#105;&#32;&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#83;&#72;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"37\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is skew-Hermitian). Since <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a207857b38e90144a83e031a42a5e82a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#72;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"23\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52e8aaa342b1de4b98df854da4f3c73a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#83;&#72;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"31\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> are both Hermitian, we have<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6809a35cd06d92218ce8d597847f74bd_l3.png\" height=\"22\" width=\"353\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#82;&#101;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#72;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#44;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#73;&#109;&#32;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#83;&#72;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Consequently, the variance of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-447b12838d42ec9eccabee27de873f10_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"43\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> can be broken into Hermitian and skew-Hermitian parts:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e4658c38df479c5805dabd94b64cc0b3_l3.png\" height=\"22\" width=\"337\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#72;&#125;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#94;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#83;&#72;&#125;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>For this reason, we will state the variance formulas only for Hermitian <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, with the formula for general <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> following from the Cartesian decomposition.<\/p>\n\n\n\n<p>For the following results, assume <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is Hermitian, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7dcda31471de5042134166a7e527e581_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#32;&#61;&#32;&#65;&#94;&#42;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"56\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<ol class=\"wp-block-list\"><li><strong>Complex Gaussian:<\/strong> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are independent <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Complex_normal_distribution#Complex_standard_normal_random_variable\">standard complex random vectors<\/a>, i.e., each <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4584feea347e33dc390727a7db596f5f_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"11\" width=\"16\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/> has iid entries distributed as <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-32f0cd7a65b4af9d3b7944f1f2efe924_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#103;&#95;&#49;&#43;&#105;&#103;&#95;&#50;&#41;&#47;&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#50;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"21\" width=\"105\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> for <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2f57303c8cce441bf982a8853c1c1f32_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#103;&#95;&#49;&#44;&#103;&#95;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> standard normal random variables. <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1beb66e032d83431dac6f8e0d6655eec_l3.png\" height=\"22\" width=\"157\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/li><li><strong>Uniform phases (Steinhauses):<\/strong> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are independent random vectors whose entries are uniform on the complex unit circle <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-32bcd6bdf76ea92c2c5ca612d0a25970_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#123;&#32;&#122;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;&#32;&#58;&#32;&#124;&#122;&#124;&#32;&#92;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"93\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1cb0e8df66c34056cd350752070af17a_l3.png\" height=\"41\" width=\"185\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#92;&#110;&#101;&#32;&#106;&#125;&#32;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/li><li><strong>Complex sphere:<\/strong> Assume <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-398352b09753dc54c54505e4b4c4db0a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"77\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are uniformly distributed on the complex sphere of radius <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0bbb71c94391d90ce47d108084081941_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#110;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"25\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>: <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-72963d016f96285f1acba5e746426630_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#109;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#85;&#110;&#105;&#102;&#111;&#114;&#109;&#125;&#32;&#92;&#123;&#120;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;&#94;&#110;&#32;&#58;&#32;&#120;&#94;&#42;&#32;&#120;&#32;&#61;&#32;&#110;&#92;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"247\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 43px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-aacfa2afb45905f6abe0697c769cd1b7_l3.png\" height=\"43\" width=\"318\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#110;&#125;&#123;&#110;&#43;&#49;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#110;&#125;&#32;&#124;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#124;&#94;&#50;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/li><\/ol>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Optimality Properties<\/h2>\n\n\n\n<p>Let us finally address the question of what the <em>best<\/em> choice of test vectors is for the Girard\u2013Hutchinson estimator. We will state two results with different restrictions on <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<p>Our first result, due to <a href=\"https:\/\/doi.org\/10.1080\/03610918908812806\">Hutchinson<\/a>, is valid for real symmetric matrices with real test vectors.<\/p>\n\n\n\n<blockquote class=\"wp-block-quote is-layout-flow wp-block-quote-is-layout-flow\"><p><strong>Optimality (independent test vectors with independent coordinates).<\/strong> If the test vectors <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-83623b59a28da4385c60913e2b4236b0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#82;&#125;&#94;&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"125\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are isotropic (2), independent from each other, and have independent entries, then for any fixed real symmetric matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, the minimum variance for <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-73419300cbdf7c3bc535ccb1e5b66722_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"17\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is obtained when <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are populated with random signs <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7b425f66127ca05ad777c7bc2acdf6a7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#41;&#95;&#106;&#32;&#92;&#115;&#105;&#109;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#110;&#111;&#114;&#109;&#97;&#108;&#123;&#85;&#110;&#105;&#102;&#111;&#114;&#109;&#125;&#32;&#92;&#123;&#92;&#112;&#109;&#32;&#49;&#92;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"164\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/>.<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n<p>The next optimality results will have real and complex versions. To present the results for <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cd59c286e7c4d8475a2d8f7f7a6be21c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#82;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-valued and an <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a49e4cfd0c941500b80f53c8cb22c73a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-valued test vectors on unified footing, let <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> denote either <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cd59c286e7c4d8475a2d8f7f7a6be21c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#82;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> or <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a49e4cfd0c941500b80f53c8cb22c73a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. We let a <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-Hermitian matrix be either a real symmetric matrix (if <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-da2cc3ff93a74b83b296fb714ec55a6d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#82;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"50\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>) or a complex Hermitian matrix (if <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-63aed0ee30820510fb43462ee0d97d3b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;&#32;&#61;&#32;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"50\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>). Let a <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-unitary matrix be either a <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Orthogonal_matrix\">real orthogonal matrix<\/a> (if <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-da2cc3ff93a74b83b296fb714ec55a6d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#82;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"50\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>) or a <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Unitary_matrix\">complex unitary matrix<\/a> (if <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-63aed0ee30820510fb43462ee0d97d3b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;&#32;&#61;&#32;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"50\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>).<\/p>\n\n\n\n<p>The condition that the vectors <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> have <em>independent entries<\/em> is often too restrictive in practice. It rules out, for instance, the case of uniform vectors on the sphere. If we relax this condition, we get a different optimal distribution:<\/p>\n\n\n\n<blockquote class=\"wp-block-quote is-layout-flow wp-block-quote-is-layout-flow\"><p><strong>Optimality (independent test vectors).<\/strong> Consider any set <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-dfbd4c2914de306d01d8e0cb5b8faaf9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"18\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-Hermitian matrices which is invariant under <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-unitary similary transformations: <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 18px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-18b4216d44b2364ea39ed4a078a067af_l3.png\" height=\"18\" width=\"369\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#73;&#102;&#32;&#36;&#65;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#36;&#32;&#97;&#110;&#100;&#32;&#36;&#85;&#36;&#32;&#105;&#115;&#32;&#36;&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;&#36;&#45;&#117;&#110;&#105;&#116;&#97;&#114;&#121;&#44;&#32;&#116;&#104;&#101;&#110;&#32;&#36;&#85;&#94;&#42;&#65;&#85;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#36;&#46;&#125;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>Assume that the test vectors <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> are independent and isotropic (2). The worst-case variance <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f96bba2a2e88fc074632c2a4dbb2f506_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#104;&#97;&#116;&#123;&#92;&#116;&#114;&#125;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"22\" width=\"118\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> is minimized by choosing <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b9a9adaf76a5c61e300ea38e4505fb0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"81\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> uniformly on the <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-sphere: <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-791c6483916692977b7cadc0dc974ec0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#109;&#32;&#92;&#115;&#105;&#109;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#85;&#110;&#105;&#102;&#111;&#114;&#109;&#125;&#32;&#92;&#123;&#32;&#120;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;&#94;&#110;&#32;&#58;&#32;&#120;&#94;&#42;&#120;&#32;&#61;&#110;&#32;&#92;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"319\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>.<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n<p>More simply, if you wants your stochastic trace estimator to be effective for a <em>class<\/em> of inputs <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-dfbd4c2914de306d01d8e0cb5b8faaf9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"18\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> (closed under <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-unitary similarity transformations) rather than a single input matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, then the best distribution are test vectors drawn uniformly from the sphere. Examples of classes of matrices <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-dfbd4c2914de306d01d8e0cb5b8faaf9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"18\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> include:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\"><li><strong>Fixed eigenvalues.<\/strong> For fixed real eigenvalues <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2bc00e1e8ef9f8369a2b7a7c42946af4_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#110;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#82;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"112\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>, the set of all <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-Hermitian matrices with these eigenvalues.<\/li><li><strong><a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Density_matrix\">Density matrices<\/a>.<\/strong> The class of all trace-one psd matrices.<\/li><li><strong>Frobenius norm ball.<\/strong> The class of all <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-Hermitian matrices of Frobenius norm at most 1.<\/li><\/ul>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Derivation of Formulas<\/h2>\n\n\n\n<p>In this section, we provide derivations of the variance formulas. I have chosen to focus on derivations which are shorter but use more advanced techniques rather than derivations which are longer but use fewer tricks.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Real Gaussians<\/h3>\n\n\n\n<p>First assume <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is real. Since <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is real symmetric, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Spectral_theorem\">has an eigenvalue decomposition<\/a> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8dafe9f64386a539e90654d8b68b0c9c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#32;&#61;&#32;&#81;&#92;&#76;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#32;&#81;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"87\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>, where <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e7f252699e1616398a7ce5179d3e425e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#81;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"14\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> is <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Orthogonal_matrix\">orthogonal<\/a> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-51c561d16684510a980fd4c0a8219074_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#76;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"12\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is a diagonal matrix reporting <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>&#8216;s eigenvalues. Since the real Gaussian distribution is invariant under orthogonal transformations, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f2b64f914b2bf040ed82b8d6933d9c32_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#61;&#32;&#40;&#81;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#76;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#32;&#40;&#81;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"197\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> has the same distribution as <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6594aacd481238652388abeab681a877_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#76;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"46\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. Therefore,<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 54px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a7416823720bac922fae7cc685892a49_l3.png\" height=\"54\" width=\"647\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#76;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#105;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Here, we used that <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Chi-squared_distribution#Cumulants\">the variance of a squared standard normal random variable<\/a> is two.<\/p>\n\n\n\n<p>For <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> non-real matrix, we can break the matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> into its entrywise real and imaginary parts <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-39ddecf875d310ecaf516125ef8a68f9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#32;&#43;&#32;&#105;&#32;&#92;&#44;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#73;&#125;&#40;&#65;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"145\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Thus,<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 23px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-527980eb3510f2c015106e6945126d41_l3.png\" height=\"23\" width=\"637\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#73;&#125;&#40;&#65;&#41;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#43;&#32;&#50;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#73;&#125;&#40;&#65;&#41;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Uniform Signs<\/h3>\n\n\n\n<p>First, compute<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 53px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4489cc9cb97ee7a0896bc61193d79910_l3.png\" height=\"53\" width=\"583\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#45;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#44;&#106;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#32;&#45;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#105;&#125;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#92;&#110;&#101;&#32;&#106;&#125;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#32;&#43;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#105;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#45;&#49;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>For a vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> of uniform random signs, we have <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-73a7533f4d251d937625403a338b7787_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"51\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> for every <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4015d3bcae440238eb2e7a73e66bae43_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"6\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, so the second sum vanishes. Note that we have assumed <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> symmetric, so the sum over <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a8766f0caa5067ca655f2ff4c29adc48_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#105;&#92;&#110;&#101;&#32;&#106;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"17\" width=\"38\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> can be replaced by two times the sum over <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c85833039130a05a82f23543e6651fc8_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#105;&#32;&#60;&#32;&#106;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"38\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-afc5f6bb40cd00b7897f25d73751f4ca_l3.png\" height=\"41\" width=\"267\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#45;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#93;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#32;&#106;&#125;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Note that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-960dedee9ad5dd08fae835523fbebe31_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#123;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#32;&#58;&#32;&#105;&#32;&#60;&#32;&#106;&#92;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"103\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/> are <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Pairwise_independence\">pairwise independent<\/a>. As a simple exercise, one can verify that the identity<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b6fd81d15f564f514f79ab4c33d133d8_l3.png\" height=\"22\" width=\"477\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#97;&#95;&#49;&#32;&#88;&#95;&#49;&#43;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#43;&#97;&#95;&#107;&#88;&#95;&#107;&#41;&#32;&#61;&#32;&#124;&#97;&#95;&#49;&#124;&#94;&#50;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#88;&#95;&#49;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#43;&#32;&#124;&#97;&#95;&#107;&#124;&#94;&#50;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#88;&#95;&#107;&#41;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>holds for any <em>pairwise independent<\/em> family of random variances <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3c022c2917efed05114fbf7c4d756486_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#88;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#88;&#95;&#107;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"84\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> and numbers <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-5fd0f7ed00c3fe27ac52d92a8839b92e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#97;&#95;&#107;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"72\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>. Ergo,<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 245px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bbb33f378fabd391c28d938420d3a32b_l3.png\" height=\"245\" width=\"293\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#45;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#93;&#41;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#32;&#106;&#125;&#32;&#50;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#32;&#52;&#32;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;&#94;&#50;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#41;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#32;&#52;&#32;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;&#94;&#50;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#50;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#92;&#110;&#101;&#32;&#106;&#125;&#32;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;&#94;&#50;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>In the second-to-last line, we use the fact that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bed3c54e01f3111eb41f4ccda2c02c25_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"34\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/> is a uniform random sign, which has variance <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-27e3598fd2d4f0491067f1afaced92e9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"7\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. The final line is a consequence of the symmetry of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Uniform on the Real Sphere<\/h3>\n\n\n\n<p>The simplest proof is I know is by the <a href=\"https:\/\/twitter.com\/TivadarDanka\/status\/1588131890040434688?s=20&amp;t=xOBvZzjNZTVb7CQK2TWvRw\">&#8220;camel principle&#8221;<\/a>. Here&#8217;s the story (a lightly edited quotation from <a href=\"https:\/\/mathoverflow.net\/q\/271608\/315386\">MathOverflow<\/a>):<\/p>\n\n\n\n<blockquote class=\"wp-block-quote is-layout-flow wp-block-quote-is-layout-flow\"><p>A father left 17 camels to his three sons and, according to the will, the eldest son was to be given a half of the camels, the middle son one-third, and the youngest son the one-ninth. The sons did not know what to do since 17 is not evenly divisible into either two, three, or nine parts, but a wise man helped the sons: he added his own camel, the oldest son took <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e5556563274f80a8baa164773972e322_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#56;&#47;&#50;&#61;&#57;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"67\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> camels, the second son took <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d39f69de97c20006c422b3ec16634957_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#56;&#47;&#51;&#61;&#54;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"67\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> camels, the third son <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e34f7b172974e032c5f01d8d192642fe_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#56;&#47;&#57;&#61;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"66\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> camels and the wise man took his own camel and went away.<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n<p>We are interested in a vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> which is uniform on the sphere of radius <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0bbb71c94391d90ce47d108084081941_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#110;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"25\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>. Performing averages on the sphere is hard, so we add a camel to the problem by &#8220;upgrading&#8221; <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> to a spherically symmetric vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e78c32c3b1b71438b109dc59c7e00786_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#103;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"9\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> which has a random length. We want to pick a distribution for which the computation <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-edcf683e0e86f43b8a9b121827bee29e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#103;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#103;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"84\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> is easy. Fortunately, we already know such a distribution, the Gaussian distribution, for which we already calculated <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-9bd31b741c252ae264ed77e258771c11_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#103;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#103;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"22\" width=\"160\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<p>The Gaussian vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e78c32c3b1b71438b109dc59c7e00786_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#103;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"9\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> and the uniform vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> on the sphere are related by<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 43px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a93345cf94749f98e715e42bc796501c_l3.png\" height=\"43\" width=\"81\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#103;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#125;&#123;&#110;&#125;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#44;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>where <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a75c3139cf459f4de0ac69cfbed08a4c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is the squared length of the Gaussian vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e78c32c3b1b71438b109dc59c7e00786_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#103;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"9\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>. In particular, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a75c3139cf459f4de0ac69cfbed08a4c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> has the distribution of the sum of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-75a5652acadcd645b180a972b75a9d09_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> squared Gaussian random variables, which is known as a <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cab82b421b5cd3edc8c05175f22e255b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#99;&#104;&#105;&#94;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"18\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Chi-squared_distribution\">random variable<\/a> with <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-75a5652acadcd645b180a972b75a9d09_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> degrees of freedom.<\/p>\n\n\n\n<p>Now, we take the camel back. Compute the variance of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-fbbea47ef8611fb4c0630d71988abbbb_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#103;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#103;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"43\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> using the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Law_of_total_variance\">chain rule for variance<\/a>:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e4e5ed235fbf5b2e026bcc58bd23becc_l3.png\" height=\"22\" width=\"394\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#103;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#103;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#103;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#103;&#32;&#92;&#109;&#105;&#100;&#32;&#97;&#41;&#93;&#32;&#43;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#103;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#103;&#32;&#92;&#109;&#105;&#100;&#32;&#97;&#93;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Here, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-289d57e4e6399b812afdb7fd40ee9d8d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#109;&#105;&#100;&#32;&#97;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"69\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6035d77442675ac2f790cfb5417e1072_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#109;&#105;&#100;&#32;&#97;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"48\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> denote the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Conditional_variance\">conditional variance<\/a> and <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Conditional_expectation\">conditional expectation<\/a> with respect to the random variable <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a75c3139cf459f4de0ac69cfbed08a4c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. The quick and dirty ways of working with these are to treat the random variable <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a75c3139cf459f4de0ac69cfbed08a4c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> &#8220;like a constant&#8221; with respect to the conditional variance and expectation.<\/p>\n\n\n\n<p>Plugging in the formula <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bb4785d8a6edc3544fc1a2d0911ff4c7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#103;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#97;&#47;&#110;&#125;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"22\" width=\"103\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/> and treating <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a75c3139cf459f4de0ac69cfbed08a4c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> &#8220;like a constant&#8221;, we obtain<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 95px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-be052caddf1d08941925fa0283784635_l3.png\" height=\"95\" width=\"483\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#103;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#103;&#41;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#97;&#47;&#110;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#92;&#109;&#105;&#100;&#32;&#97;&#41;&#93;&#32;&#43;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#47;&#110;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#92;&#109;&#105;&#100;&#32;&#97;&#93;&#41;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#40;&#97;&#47;&#110;&#41;&#94;&#50;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#93;&#32;&#43;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#97;&#47;&#110;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#93;&#41;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#110;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#93;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#110;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#97;&#41;&#32;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#93;&#124;&#94;&#50;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>As we mentioned, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a75c3139cf459f4de0ac69cfbed08a4c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is a <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cab82b421b5cd3edc8c05175f22e255b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#99;&#104;&#105;&#94;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"18\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> random variable with <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-75a5652acadcd645b180a972b75a9d09_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> degrees of freedom and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-53042ba72cdd3991b14b5d4508da6564_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"37\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0739c6d50d9f76e2dcd2d7847b8af049_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#97;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"50\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> are known quantities that <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Chi-squared_distribution#Noncentral_moments\">can be looked up<\/a>:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-59ecda0ea21d92e43e3182d5cc5a7217_l3.png\" height=\"22\" width=\"252\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#93;&#32;&#61;&#32;&#110;&#40;&#110;&#43;&#50;&#41;&#44;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#110;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>We know <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-9bd31b741c252ae264ed77e258771c11_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#103;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#103;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"22\" width=\"160\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-293908b9583df45d93349435d76b981a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"123\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Plugging these all in, we get<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 36px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1c9b70fd4e5bc6ca4006114830d45619_l3.png\" height=\"36\" width=\"305\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#50;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#110;&#43;&#50;&#125;&#123;&#110;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#50;&#125;&#123;&#110;&#125;&#32;&#124;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#124;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Rearranging, we obtain<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 43px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7ab53e5895f9a1f474f5bf99fbec5662_l3.png\" height=\"43\" width=\"322\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#50;&#110;&#125;&#123;&#110;&#43;&#50;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#110;&#125;&#124;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#124;&#94;&#50;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Complex Gaussians<\/h3>\n\n\n\n<p>The trick is the same as for real Gaussians. By invariance of complex Gaussian random vectors under unitary transformations, we can reduce to the case where <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is a diagonal matrix populated with eigenvalues <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1f56841840850ad8399f6deaa7722d74_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"75\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>. Then<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 54px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-68f4685a4cd845b98fc1a8fd1494e00a_l3.png\" height=\"54\" width=\"534\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#105;&#32;&#124;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#124;&#94;&#50;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#124;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#124;&#94;&#50;&#41;&#32;&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#92;&#108;&#97;&#109;&#98;&#100;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Here, we use the fact that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b2b956489dd11e78ff2eb7c4a703fe3d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#50;&#124;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#124;&#94;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"42\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> is a <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cab82b421b5cd3edc8c05175f22e255b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#99;&#104;&#105;&#94;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"18\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Chi-squared_distribution\">random variable with two degrees of freedom<\/a>, which <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Chi-squared_distribution#Cumulants\">has variance four<\/a>.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Random Phases<\/h3>\n\n\n\n<p>The trick is the same as for uniform signs. A short calculation (remembering that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is Hermitian and thus <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c63d40cad896d74058885897f710f9ea_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#118;&#101;&#114;&#108;&#105;&#110;&#101;&#123;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#125;&#32;&#61;&#32;&#65;&#95;&#123;&#106;&#105;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"21\" width=\"73\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/>) reveals that<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 64px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b0e61723c22b056d1aca51694c407e6d_l3.png\" height=\"64\" width=\"316\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#32;&#50;&#32;&#92;&#82;&#101;&#40;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#32;&#92;&#111;&#118;&#101;&#114;&#108;&#105;&#110;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#41;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>The random variables <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8f76de641deaae554c3dd39a683c8a18_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#123;&#92;&#111;&#118;&#101;&#114;&#108;&#105;&#110;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#32;&#58;&#32;&#105;&#32;&#60;&#32;&#106;&#92;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"103\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/> are <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Pairwise_independence\">pairwise independent<\/a> so we have<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 64px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f2d77eb554a1e1ffbe4370efd8c704fb_l3.png\" height=\"64\" width=\"519\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#32;&#50;&#32;&#92;&#82;&#101;&#40;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#32;&#92;&#111;&#118;&#101;&#114;&#108;&#105;&#110;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#41;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#61;&#32;&#52;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#82;&#101;&#40;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#32;&#92;&#111;&#118;&#101;&#114;&#108;&#105;&#110;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#41;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Since <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b79e1047a572d3220db06787379d30a9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#118;&#101;&#114;&#108;&#105;&#110;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#95;&#105;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"17\" width=\"34\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/> is uniformly distributed on the complex unit circle, we can assume without loss of generality that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2804028e00f35731bdde52ad1e6af009_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#32;&#61;&#32;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"82\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/>. Thus, letting <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b889ecc5781bc4fa48f70ba23ef2cfb8_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"11\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> be uniform on the complex unit circle,<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-76d2ce84714c4549a86686259bd96847_l3.png\" height=\"41\" width=\"491\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#61;&#32;&#52;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;&#92;&#82;&#101;&#40;&#92;&#112;&#104;&#105;&#41;&#41;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#61;&#32;&#52;&#92;&#86;&#97;&#114;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#82;&#101;&#40;&#92;&#112;&#104;&#105;&#41;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>The real and imaginary parts of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b889ecc5781bc4fa48f70ba23ef2cfb8_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"11\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> have the same distribution so<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f83462ae4de80311482849de445edd5a_l3.png\" height=\"19\" width=\"392\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#49;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#112;&#104;&#105;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#82;&#101;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#73;&#109;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#82;&#101;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#41;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>so <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e8052d6bfd0f5bdea0dbc070a0988548_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#82;&#101;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#41;&#32;&#61;&#32;&#49;&#47;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"125\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Thus<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-436eeb79ad0eddde0752f1a398397ad5_l3.png\" height=\"41\" width=\"294\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#92;&#110;&#101;&#32;&#106;&#125;&#32;&#124;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#124;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Uniform on the Complex Sphere: Derivation 1 by Reduction to Real Case<\/h3>\n\n\n\n<p>There are at least three simple ways of deriving this result: the camel trick, reduction to the real case, and Haar integration. Each of these techniques illustrates a trick that is useful in its own right beyond the context of trace estimation. Since we have already seen an example of the camel trick for the real sphere, I will present the other two derivations.<\/p>\n\n\n\n<p>Let us begin with the reduction to the real case. Let <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-ac4e2713120b3faa2750ade8b61b0dfa_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"33\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8f004412750821c61261371a57a9dbd2_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#73;&#125;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"28\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> denote the real and imaginary parts of a vector or matrix, taken entrywise. The key insight is that if <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is a uniform random vector on the complex sphere of radius <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0bbb71c94391d90ce47d108084081941_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#110;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"25\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>, then<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 42px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0ff873eff96e863cf02d36e65a5ca1be_l3.png\" height=\"42\" width=\"664\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#58;&#61;&#32;&#92;&#116;&#119;&#111;&#98;&#121;&#111;&#110;&#101;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#125;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#73;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#125;&#92;&#105;&#110;&#92;&#114;&#101;&#97;&#108;&#94;&#123;&#50;&#110;&#125;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#105;&#115;&#32;&#97;&#32;&#117;&#110;&#105;&#102;&#111;&#114;&#109;&#32;&#114;&#97;&#110;&#100;&#111;&#109;&#32;&#118;&#101;&#99;&#116;&#111;&#114;&#32;&#111;&#110;&#32;&#116;&#104;&#101;&#32;&#114;&#101;&#97;&#108;&#32;&#115;&#112;&#104;&#101;&#114;&#101;&#32;&#111;&#102;&#32;&#114;&#97;&#100;&#105;&#117;&#115;&#32;&#36;&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#110;&#125;&#36;&#125;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>We&#8217;ve converted the complex vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> into a real vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-5cd486bde12d1cd88adbae2e605d0a3c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"42\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>.<\/p>\n\n\n\n<p>Now, we need to convert the complex matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> into a real matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3c978f3589fe5e434417f254ca972d1d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"43\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. To do this, recall that one way of representing complex numbers is by <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-17551d41f05fc09b4c2f2e5b57bfe27a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#50;&#92;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"39\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> matrices:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 42px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-21b802836b33431568e5d854455d87d1_l3.png\" height=\"42\" width=\"169\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#97;&#32;&#43;&#32;&#98;&#105;&#32;&#92;&#105;&#102;&#102;&#32;&#92;&#116;&#119;&#111;&#98;&#121;&#116;&#119;&#111;&#123;&#97;&#125;&#123;&#45;&#98;&#125;&#123;&#98;&#125;&#123;&#97;&#125;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Using this correspondence addition and multiplication of complex numbers can be carried by addition and multiplication of the corresponding matrices.<\/p>\n\n\n\n<p>To convert complex matrices to real matrices, we use a matrix-version of the same representation:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 42px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-12a37c4298c9e2d49dfa2f3ac32fe573_l3.png\" height=\"42\" width=\"202\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#119;&#111;&#98;&#121;&#116;&#119;&#111;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#125;&#123;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#73;&#125;&#40;&#65;&#41;&#125;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#73;&#125;&#40;&#65;&#41;&#125;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#102;&#114;&#97;&#107;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#125;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>One can check that addition and multiplication of complex matrices can be carried out by addition and multiplication of the corresponding &#8220;realified&#8221; matrices, i.e., <\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4e7fe7da4edb58f1ee1bb8a2b1d2a78b_l3.png\" height=\"19\" width=\"432\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#32;&#43;&#32;&#66;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#66;&#41;&#44;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#66;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#66;&#41;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>holds for all complex matrices <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-06d2c1a5a171b6d7d9c5df87d123c5a4_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#66;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. <\/p>\n\n\n\n<p>We&#8217;ve now converted complex matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> and vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> into real matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3c978f3589fe5e434417f254ca972d1d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"43\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-5cd486bde12d1cd88adbae2e605d0a3c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"42\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Let&#8217;s compare <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e521231a96eb7ffa609a844ced5b7456_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"43\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> to <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a74456af9cec7d5a74a22ef4d045c635_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"138\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. A short calculation reveals<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d92927d567b8907621af83ab283672a5_l3.png\" height=\"22\" width=\"210\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Since <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-5cd486bde12d1cd88adbae2e605d0a3c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"42\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> is a uniform random vector on the sphere of radius <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0bbb71c94391d90ce47d108084081941_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#110;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"25\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-26f823cb1986e43056533902bc6a98bd_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#50;&#125;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"21\" width=\"76\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> is a uniform random vector on the sphere of radius <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c7d8c8d469305bac6e1f26ad9b5b920b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#50;&#110;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"34\" style=\"vertical-align: -2px;\"\/>. Thus, by the variance formula for the real sphere, we get<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 42px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-ff16ba8dd015218ea642633d77f2a37a_l3.png\" height=\"42\" width=\"713\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#91;&#40;&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#50;&#125;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#41;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#47;&#50;&#41;&#40;&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#50;&#125;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#41;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#52;&#110;&#125;&#123;&#50;&#110;&#43;&#50;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#32;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#47;&#50;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#56;&#110;&#125;&#40;&#92;&#116;&#114;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>A short calculation verifies that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-42b252e0fe5fd0eec189af27a189b67c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#116;&#114;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"125\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3fea9c400a4fdde895443ebc5440e683_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#110;&#111;&#114;&#109;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#82;&#125;&#40;&#65;&#41;&#125;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#124;&#65;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"22\" width=\"141\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Plugging this in, we obtain<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 42px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c9186eb813af3cd67173d73e32885a22_l3.png\" height=\"42\" width=\"311\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#110;&#125;&#123;&#110;&#43;&#49;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#32;&#92;&#124;&#65;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#110;&#125;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#41;&#94;&#50;&#32;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Uniform on the Complex Sphere: Derivation 2 by Haar Integration<\/h3>\n\n\n\n<p>The proof by reduction to the real case requires some cumbersome calculations and requires that we have already computed the variance in the real case by some other means. The method of <em>Haar integration<\/em> is more slick, but it requires some pretty high-power machinery. Haar integration may be a little bit overkill for this problem, but this technique is worth learning as it can handle some truly nasty expected value computations that appear, for example, in quantum information. <\/p>\n\n\n\n<p>We seek to compute<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8e3e10402f389b06dcd42db97c5ed116_l3.png\" height=\"22\" width=\"91\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#91;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#50;&#93;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>The first trick will be to write this expession using a single matrix trace using the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Kronecker_product\">tensor (Kronecker) product<\/a> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-42f3f44fd3485dd717d2d6ef570a41ca_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: -2px;\"\/>. For those unfamiliar with the tensor product, the main properties we will be using <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Kronecker_product#Relations_to_other_matrix_operations\">are<\/a><\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (6) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c5ea1a0235766ad15b67d02b47cfea2e_l3.png\" height=\"19\" width=\"460\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#40;&#65;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#66;&#41;&#32;&#40;&#67;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#68;&#41;&#32;&#61;&#32;&#40;&#65;&#66;&#41;&#32;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#40;&#67;&#68;&#41;&#44;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#66;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#66;&#46;&#32;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>We saw in the proof of unbiasedness that<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-578bb521ecfb65fc4025f13431673b08_l3.png\" height=\"19\" width=\"239\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#40;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Therefore, by (6),<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-5161bc0d787be08130c4cfaed0c84489_l3.png\" height=\"22\" width=\"546\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#91;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#93;&#41;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#91;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#91;&#40;&#65;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#65;&#41;&#32;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#41;&#93;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Thus, to evaluate <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-98fe9a5e8220c22709c9d6ade6c3141b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#50;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"86\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, it will be sufficient to evaluate <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-06ac3d64041068176a86563cec4c67ba_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"103\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Forunately, there is a useful formula for these expectation provided by a field of mathematics known as representation theory (see Lemma 1 in <a href=\"http:\/\/arxiv.org\/abs\/quant-ph\/0604049\">this paper<\/a>):<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 38px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e5eddca3275c6bbb82fa6b789efe7664_l3.png\" height=\"38\" width=\"281\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#50;&#110;&#125;&#123;&#110;&#43;&#49;&#125;&#32;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#80;&#114;&#111;&#106;&#125;&#95;&#123;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#83;&#121;&#109;&#125;&#94;&#50;&#40;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;&#94;&#110;&#41;&#125;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Here, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3175b96c87d4fb76e65ae194ec1258ca_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#80;&#114;&#111;&#106;&#125;&#95;&#123;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#83;&#121;&#109;&#125;&#94;&#50;&#40;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;&#94;&#110;&#41;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"21\" width=\"94\" style=\"vertical-align: -9px;\"\/> is the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Projection_(linear_algebra)#Orthogonal_projection\">orthogonal projection<\/a> onto the space of <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Symmetric_tensor#Symmetric_part_of_a_tensor\">symmetric two-tensors<\/a> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-69fd5f6ddff2aae165e962a388085c11_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#83;&#121;&#109;&#125;&#94;&#50;&#40;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;&#94;&#110;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#115;&#112;&#97;&#110;&#125;&#32;&#92;&#123;&#32;&#118;&#32;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#118;&#32;&#58;&#32;&#118;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;&#94;&#110;&#32;&#92;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"21\" width=\"261\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Therefore, we have that<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 38px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6c4f09e537808effd6c51c0aa4d20f6e_l3.png\" height=\"38\" width=\"567\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#91;&#40;&#65;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#65;&#41;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#41;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#50;&#110;&#125;&#123;&#110;&#43;&#49;&#125;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#91;&#40;&#65;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#65;&#41;&#32;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#80;&#114;&#111;&#106;&#125;&#95;&#123;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#83;&#121;&#109;&#125;&#94;&#50;&#40;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;&#94;&#110;&#41;&#125;&#93;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>To evalute the trace on the right-hand side of this equation, there is another formula (see Lemma 6 in <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/1310.2267v2\">this paper<\/a>):<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 36px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3ea7660d7e72964cf11ef2239731a497_l3.png\" height=\"36\" width=\"407\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#116;&#114;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#40;&#65;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#66;&#41;&#32;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#80;&#114;&#111;&#106;&#125;&#95;&#123;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#83;&#121;&#109;&#125;&#94;&#50;&#40;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;&#94;&#110;&#41;&#125;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#66;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#66;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Therefore, we conclude<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 155px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7af313e9e07f20b93b0de83867f20a04_l3.png\" height=\"155\" width=\"415\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#45;&#32;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#93;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#50;&#110;&#125;&#123;&#110;&#43;&#49;&#125;&#92;&#116;&#114;&#32;&#91;&#40;&#65;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#65;&#41;&#32;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#80;&#114;&#111;&#106;&#125;&#95;&#123;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#83;&#121;&#109;&#125;&#94;&#50;&#40;&#92;&#99;&#111;&#109;&#112;&#108;&#101;&#120;&#94;&#110;&#41;&#125;&#93;&#32;&#45;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#110;&#125;&#123;&#110;&#43;&#49;&#125;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#94;&#50;&#32;&#43;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#45;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#110;&#125;&#123;&#110;&#43;&#49;&#125;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#92;&#124;&#65;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#92;&#124;&#95;&#123;&#92;&#114;&#109;&#32;&#70;&#125;&#94;&#50;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#110;&#125;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Proof of Optimality Properties<\/h2>\n\n\n\n<p>In this section, we provide proofs of the two optimality properties.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Optimality: Independent Vectors with Independent Coordinates<\/h3>\n\n\n\n<p>Assume <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is real and symmetric and suppose that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is isotropic (2) with independent coordinates. The isotropy condition<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-232c1e956304b14a7a6f4b55f9ba35e3_l3.png\" height=\"22\" width=\"89\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#93;&#32;&#61;&#32;&#73;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>implies that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-9986528214c0653217367aca2a90d568_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#100;&#101;&#108;&#116;&#97;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"99\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/>, where <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-50f767701973c5f8f4cb8cc6ed459bad_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#100;&#101;&#108;&#116;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Kronecker_delta\">Kronecker symbol<\/a>. Using this fact, we compute the second moment:<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 190px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4115914a6e648438e66028437f38ef2a_l3.png\" height=\"190\" width=\"460\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#32;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#105;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#32;&#43;&#50;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#41;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#94;&#50;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#105;&#125;&#94;&#50;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#52;&#93;&#32;&#43;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#32;&#40;&#50;&#65;&#95;&#123;&#105;&#105;&#125;&#65;&#95;&#123;&#106;&#106;&#125;&#43;&#52;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#94;&#50;&#41;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#93;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#106;&#94;&#50;&#93;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#105;&#125;&#94;&#50;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#52;&#93;&#32;&#43;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#32;&#40;&#50;&#65;&#95;&#123;&#105;&#105;&#125;&#65;&#95;&#123;&#106;&#106;&#125;&#43;&#52;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#94;&#50;&#41;&#32;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Thus<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 53px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-006e2eb8d5f2162654d8c2de39f5a8bc_l3.png\" height=\"53\" width=\"573\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#32;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#45;&#32;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#93;&#41;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#61;&#49;&#125;&#94;&#110;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#105;&#125;&#94;&#50;&#32;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#124;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#124;&#94;&#52;&#93;&#45;&#49;&#41;&#32;&#43;&#32;&#52;&#92;&#115;&#117;&#109;&#95;&#123;&#105;&#60;&#106;&#125;&#32;&#65;&#95;&#123;&#105;&#106;&#125;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>The variance is minimized by choosing <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> with <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2d7513eb59b231fa70c4a6b49af4a13c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#52;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"30\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> as small as possible. Since <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e00900d7b1badc59a75d1ef8150c74c8_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"63\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, the smallest possible value for <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2d7513eb59b231fa70c4a6b49af4a13c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#52;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"30\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> is <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4b95ce90619b8314193601c27b39cfcd_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#32;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#95;&#105;&#94;&#52;&#32;&#61;&#32;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"63\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, which is obtained by populating <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> with random signs.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Optimality: Independent Vectors<\/h3>\n\n\n\n<p>This result <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2002.01387\">appears<\/a> to have first been proven by Richard Kueng in unpublished work. We use an argument suggested to me by <a href=\"https:\/\/rwebber.people.caltech.edu\">Robert J. Webber<\/a>.<\/p>\n\n\n\n<p>Assume <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-dfbd4c2914de306d01d8e0cb5b8faaf9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"18\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is a class of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-Hermitian matrices closed under <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-unitary similarity transformations and that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is an isotropic random vector (2). Decompose the test vector as<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11867b7bff40d97d79a74d5136774fd9_l3.png\" height=\"19\" width=\"409\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#61;&#32;&#97;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#115;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#102;&#111;&#114;&#125;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#97;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#91;&#48;&#44;&#43;&#92;&#105;&#110;&#102;&#116;&#121;&#41;&#44;&#32;&#92;&#58;&#32;&#115;&#32;&#92;&#105;&#110;&#92;&#123;&#120;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;&#94;&#110;&#32;&#58;&#32;&#120;&#94;&#42;&#120;&#32;&#61;&#32;&#110;&#32;&#92;&#125;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>First, we shall show that the variance is reduced by replacing <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-237419ccf116597dd4054fbf1cca1281_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#115;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> with a vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f7c31707f29cc03d143ea78c9833003e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#116;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"6\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> drawn uniformly from the sphere<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 30px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (7) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e54c170954072838232ab5ff7c78cf25_l3.png\" height=\"30\" width=\"259\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#94;&#42;&#65;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#41;&#32;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>where <\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (8) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cb668b2c9f168bca81deb51a17726b1d_l3.png\" height=\"19\" width=\"541\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#32;&#61;&#32;&#97;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#116;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#97;&#110;&#100;&#125;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#116;&#92;&#115;&#105;&#109;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#85;&#110;&#105;&#102;&#111;&#114;&#109;&#125;&#32;&#92;&#123;&#32;&#120;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;&#94;&#110;&#32;&#58;&#120;&#94;&#42;&#120;&#32;&#61;&#32;&#110;&#32;&#92;&#125;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#105;&#115;&#32;&#105;&#110;&#100;&#101;&#112;&#101;&#110;&#100;&#101;&#110;&#116;&#32;&#111;&#102;&#32;&#36;&#97;&#36;&#125;&#46;&#32;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Note that such a <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f7c31707f29cc03d143ea78c9833003e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#116;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"6\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> can be generated as <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3b544ccfca14a5b6eeb36355e8078a72_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#116;&#32;&#61;&#32;&#81;&#115;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"52\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> for a uniformly random <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-unitary matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e7f252699e1616398a7ce5179d3e425e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#81;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"14\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>. Therefore, we have<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 73px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-83564c7ba654655b42890c8adb65636f_l3.png\" height=\"73\" width=\"461\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#94;&#42;&#65;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#41;&#38;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#40;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#94;&#42;&#65;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#45;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#41;&#94;&#50;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#115;&#94;&#42;&#40;&#81;&#94;&#42;&#65;&#81;&#41;&#115;&#93;&#32;&#45;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#40;&#81;&#94;&#42;&#65;&#81;&#41;&#41;&#94;&#50;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Now apply <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Jensen's_inequality#Measure-theoretic_and_probabilistic_form\">Jensen&#8217;s inequality<\/a> only over the randomness in <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e7f252699e1616398a7ce5179d3e425e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#81;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"14\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> to obtain<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 73px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f182f68bcb3cbe40c8b44cf5b585e474_l3.png\" height=\"73\" width=\"506\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#94;&#42;&#65;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#41;&#38;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#115;&#94;&#42;&#40;&#81;&#94;&#42;&#65;&#81;&#41;&#115;&#93;&#32;&#45;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#40;&#81;&#94;&#42;&#65;&#81;&#41;&#41;&#94;&#50;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#92;&#92;&#38;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#95;&#81;&#32;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#95;&#123;&#97;&#44;&#115;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#115;&#94;&#42;&#40;&#81;&#94;&#42;&#65;&#81;&#41;&#115;&#93;&#32;&#45;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#40;&#81;&#94;&#42;&#65;&#81;&#41;&#41;&#94;&#50;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Finally, note that since <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-dfbd4c2914de306d01d8e0cb5b8faaf9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"18\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is closed under <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-52f228c442cadbc85d7d7510b6d35b1c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#105;&#101;&#108;&#100;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>-unitary similarity transformations, the supremum over <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-9bf2aa4396b3905dec499699d5c08b40_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#81;&#94;&#42;&#65;&#81;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"17\" width=\"49\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> for <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-92521c14109ba80d1339b97dbd390da1_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"53\" style=\"vertical-align: -1px;\"\/> is the same as the supremum of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-92521c14109ba80d1339b97dbd390da1_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"53\" style=\"vertical-align: -1px;\"\/>, so we obtain<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 113px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd5736cb133d33ed28ab0f2305ac9678_l3.png\" height=\"113\" width=\"496\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#94;&#42;&#65;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#41;&#38;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#95;&#81;&#32;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#95;&#123;&#97;&#44;&#115;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#115;&#94;&#42;&#40;&#81;&#94;&#42;&#65;&#81;&#41;&#115;&#93;&#32;&#45;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#40;&#81;&#94;&#42;&#65;&#81;&#41;&#41;&#94;&#50;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#95;&#81;&#32;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#95;&#123;&#97;&#44;&#115;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#115;&#94;&#42;&#65;&#115;&#93;&#32;&#45;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#41;&#94;&#50;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#93;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#65;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#41;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>We have successfully proven (7). This argument is a specialized version of a far more general result which appears as <a href=\"http:\/\/arxiv.org\/abs\/2110.00649\">Proposition 4.1 in this paper<\/a>.<\/p>\n\n\n\n<p>Next, we shall prove<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 30px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (9) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0de32ccbfe09388b9d36757b7f140a8e_l3.png\" height=\"30\" width=\"261\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#116;&#94;&#42;&#65;&#116;&#41;&#32;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#115;&#117;&#112;&#95;&#123;&#65;&#92;&#105;&#110;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#115;&#99;&#114;&#123;&#65;&#125;&#125;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#94;&#42;&#65;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#41;&#44;&#32;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>where <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f7c31707f29cc03d143ea78c9833003e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#116;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"6\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is still defined as in (8). Indeed, using the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Law_of_total_variance\">chain rule for variance<\/a>, we obtain<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 108px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c74465c627f5e70f943ce415fbfafd22_l3.png\" height=\"108\" width=\"432\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#94;&#42;&#65;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#41;&#38;&#61;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#97;&#94;&#50;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#116;&#94;&#42;&#65;&#116;&#41;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#97;&#94;&#50;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#116;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#116;&#32;&#92;&#109;&#105;&#100;&#32;&#97;&#41;&#93;&#32;&#43;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#116;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#116;&#32;&#92;&#109;&#105;&#100;&#32;&#97;&#93;&#41;&#32;&#92;&#92;&#38;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#52;&#93;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#116;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#116;&#32;&#41;&#43;&#32;&#40;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;&#41;&#94;&#50;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#97;&#94;&#50;&#41;&#32;&#92;&#92;&#38;&#92;&#103;&#101;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#52;&#93;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#116;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#116;&#32;&#41;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Here, we have used that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f7c31707f29cc03d143ea78c9833003e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#116;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"6\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is uniform on the sphere and thus <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6ee9ad07ec8316cc6003116e3c311189_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#116;&#94;&#42;&#65;&#116;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"109\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. By definition, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a75c3139cf459f4de0ac69cfbed08a4c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is the length of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0b198aa9b9853ff3f922aed5fd03dc71_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> divided by <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0bbb71c94391d90ce47d108084081941_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#110;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"25\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>. Therefore,<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 36px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4da8a9a33ffb6559da8625435549f7c2_l3.png\" height=\"36\" width=\"459\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#110;&#125;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#110;&#125;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#116;&#114;&#32;&#40;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#41;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#110;&#125;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#94;&#42;&#93;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#116;&#114;&#32;&#73;&#125;&#123;&#110;&#125;&#32;&#61;&#32;&#49;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Therefore, by <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Jensen's_inequality#Measure-theoretic_and_probabilistic_form\">Jensen&#8217;s inequality<\/a>,<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-356fd56d5d04dbda45fa992ae083be0f_l3.png\" height=\"22\" width=\"243\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#52;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#40;&#97;&#94;&#50;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#92;&#103;&#101;&#32;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#50;&#93;&#41;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#49;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>Thus<\/p>\n\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-fc9331e3508e9102014ecc83f4517cc5_l3.png\" height=\"22\" width=\"434\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#94;&#42;&#65;&#92;&#116;&#105;&#108;&#100;&#101;&#123;&#92;&#111;&#109;&#101;&#103;&#97;&#125;&#41;&#32;&#92;&#103;&#101;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#98;&#123;&#69;&#125;&#91;&#97;&#94;&#52;&#93;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#116;&#94;&#42;&#32;&#65;&#32;&#116;&#32;&#41;&#32;&#92;&#103;&#101;&#32;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#116;&#94;&#42;&#65;&#116;&#41;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#102;&#111;&#114;&#32;&#101;&#118;&#101;&#114;&#121;&#32;&#125;&#65;&#44;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n\n<p>which proves (9).<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>I am delighted to share that me, Joel A. Tropp, and Robert J. Webber&#8216;s paper XTrace: Making the Most of Every Sample in Stochastic Trace Estimation has recently been released as a preprint on arXiv. In it, we consider the implicit trace estimation problem: Implicit trace estimation problem: Given access to a square matrix via<a class=\"more-link\" href=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2023\/01\/26\/stochastic-trace-estimation\/\">Read more<\/a><\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[6,7,14],"tags":[],"class_list":["post-1399","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-expository","category-research","category-trace-estimation"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1399","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1399"}],"version-history":[{"count":34,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1399\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":1437,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1399\/revisions\/1437"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1399"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1399"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1399"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}