{"id":2310,"date":"2026-03-03T02:58:28","date_gmt":"2026-03-03T02:58:28","guid":{"rendered":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/?p=2310"},"modified":"2026-03-03T02:59:33","modified_gmt":"2026-03-03T02:59:33","slug":"note-to-self-trace-estimation-with-tensor-products","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2026\/03\/03\/note-to-self-trace-estimation-with-tensor-products\/","title":{"rendered":"Note to Self: Trace Estimation with Tensor Products"},"content":{"rendered":"\n<p>Let <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4a30fd460ebcae9acde30fb90ec21014_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;&#95;&#49;&#44;&#92;&#108;&#100;&#111;&#116;&#115;&#44;&#120;&#95;&#92;&#101;&#108;&#108;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"73\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> be random vectors and let <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-928fe916a8e99408cccc5949de79a6c6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;&#32;&#61;&#32;&#120;&#95;&#49;&#32;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#120;&#95;&#92;&#101;&#108;&#108;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"132\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/> denote their <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Kronecker_product\">tensor product<\/a>. Assume the vectors <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-44092f757392a8bd31d874dabe451fd3_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;&#95;&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"11\" width=\"15\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/> are <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Isotropy\">isotropic<\/a>, in the sense that <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-5e65b0d7cf66e1cecc4c60470eca40af_l3.png\" height=\"22\" width=\"96\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#120;&#95;&#105;&#94;&#123;&#92;&#118;&#112;&#104;&#97;&#110;&#116;&#111;&#109;&#123;&#92;&#116;&#111;&#112;&#125;&#125;&#32;&#120;&#95;&#105;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#93;&#32;&#61;&#32;&#73;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>The vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b312d649591164b7149ed0756f694a76_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> inherits the isotropy property as well <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-693de07bc613a6824b8000f4615ccf85_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#120;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#93;&#32;&#61;&#32;&#73;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"86\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. As a consequence, we can use the vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b312d649591164b7149ed0756f694a76_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> to form an <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Bias_(statistics)#Bias_of_an_estimator\">unbiased<\/a> estimator for the matrix <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Trace_(linear_algebra)\">trace<\/a> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-99c590c818d205b76d1b6ab2b4391edb_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#120;&#93;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"130\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Trace estimation has been a frequent topic <a href=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2023\/01\/26\/stochastic-trace-estimation\/\">on<\/a> <a href=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2024\/01\/04\/how-good-can-stochastic-trace-estimates-be\/\">this<\/a> <a href=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2024\/01\/28\/dont-use-gaussians-in-stochastic-trace-estimation\/\">blog<\/a>.<\/p>\n\n\n\n<p>What is the variance of the trace estimate <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-9759179f6864da90243e03cb0e632708_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"45\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>? This question <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2309.04952\">was addressed<\/a> by <a href=\"https:\/\/ram900.com\">Raphael Meyer<\/a> and <a href=\"http:\/\/www.math.tau.ac.il\/~haimav\/\">Haim Avron<\/a>. The <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Variance\">variance<\/a> of the trace estimator <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2ba743c4e31b28252490bf3238450e0f_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"45\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is <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-5647f8054d7455519ae8e1bef31af139_l3.png\" height=\"22\" width=\"481\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#86;&#97;&#114;&#40;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#40;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#45;&#32;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#93;&#94;&#50;&#32;&#61;&#32;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#40;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#45;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#41;&#94;&#50;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>As such, bounding the variance is equivalent to bounding the second moment <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b5fbf8e67e4ff29170a0eebe078ce961_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#40;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#41;&#94;&#50;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"86\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Suppose that the individual base vectors <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-44092f757392a8bd31d874dabe451fd3_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;&#95;&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"11\" width=\"15\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/> satisfy a moment bound<p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><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-277e90ec9bcf7846732486a3c5953375_l3.png\" height=\"22\" width=\"379\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#40;&#120;&#95;&#105;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#95;&#105;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#102;&#111;&#114;&#32;&#101;&#118;&#101;&#114;&#121;&#32;&#112;&#115;&#100;&#32;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#32;&#125;&#32;&#65;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>For instance, Gaussian, random sign, and uniformly random vectors on the sphere <a href=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2023\/01\/26\/stochastic-trace-estimation\/#real-valued-test-vectors\">all satisfy<\/a> this bound with <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7bca06c9bec4fda6151dda04c3a845c5_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#92;&#108;&#101;&#32;&#51;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"44\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/>. Under assumption (1), Meyer and Avron show that the tensor-product trace estimator <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-9759179f6864da90243e03cb0e632708_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"45\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> satisfies the bound <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><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-ee2f7f4328d1d2f7117f850c28a62528_l3.png\" height=\"22\" width=\"367\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#40;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#94;&#92;&#101;&#108;&#108;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#102;&#111;&#114;&#32;&#97;&#110;&#121;&#32;&#112;&#115;&#100;&#32;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#32;&#125;&#32;&#65;&#46;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>Here, 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 <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Definite_matrix#Definitions\">positive semidefinite<\/a> (psd) if it is <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Symmetric_matrix\">symmetric<\/a> and satisfies <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0e05b7b050df1661d3a2b506f3694175_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#118;&#32;&#92;&#103;&#101;&#32;&#48;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"18\" width=\"76\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/> for any vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1ccb53cb35fc73370b29b241e3fa4bcd_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#118;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. Observe, the constant in the bound (2) is exponentially larger than the constant in bound (1). Unfortunately, <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/html\/2309.04952v2#S4.SS1\">as Meyer and Avron show<\/a>, this exponentially large variance is a real property of the tensor-structured trace estimator, at least on worst-case examples.<\/p>\n\n\n\n<p><a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2309.04952\">Meyer and Avron&#8217;s paper<\/a> is really nice, and it contains many different results for Kronecker-structured trace estimation beyond the bound (2). I highly recommend checking <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2309.04952\">their paper<\/a> out, which was <a href=\"https:\/\/epubs.siam.org\/doi\/10.1137\/24M1720895\">just appeared<\/a> in the <em><a href=\"https:\/\/www.siam.org\/publications\/siam-journals\/siam-journal-on-matrix-analysis-and-applications\/\">SIAM Journal of Matrix Analysis and Applications<\/a><\/em>! In this blog, I&#8217;ll give an alternate, somewhat shorter proof of the Meyer\u2013Avron bound (2).<\/p>\n\n\n\n<p>Suppose that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f67023f77bb9689a9cc9c26c32e71648_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;&#32;&#61;&#32;&#121;&#32;&#92;&#111;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#122;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"74\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> is a tensor product of isotropic vectors <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-04b376f4df205b101171691b41390d91_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#121;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#114;&#101;&#97;&#108;&#94;&#123;&#100;&#95;&#49;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"56\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d4e3e90224027712d33112c4e75a3a72_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#122;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#114;&#101;&#97;&#108;&#94;&#123;&#110;&#95;&#50;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"58\" style=\"vertical-align: -1px;\"\/>, and suppose that <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><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-9b8a7bf17b8f16b0ec73e0027423055e_l3.png\" height=\"22\" width=\"459\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#40;&#121;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#95;&#49;&#32;&#121;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#95;&#49;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#95;&#49;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#97;&#110;&#100;&#125;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#91;&#40;&#122;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#95;&#50;&#32;&#122;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#95;&#50;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#95;&#50;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>for any psd matrices <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cbafc978d3594240329049e082da9d69_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#95;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"19\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-fdf76a0ee4da8b0681f225c3dfab588f_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#95;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"20\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/>. Now, let <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;\"\/> be an <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cbed4efc8da4c1e96f9390dd8d336f26_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#100;&#95;&#49;&#110;&#95;&#50;&#41;&#92;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#40;&#100;&#95;&#49;&#110;&#95;&#50;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"118\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> psd matrix, and <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Block_matrix\">partition<\/a> <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;\"\/> as <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 75px;\"><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-43bb38960318d2dc04d04e021243f074_l3.png\" height=\"75\" width=\"200\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#65;&#32;&#61;&#32;&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#65;&#95;&#123;&#49;&#49;&#125;&#32;&#38;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#65;&#95;&#123;&#49;&#100;&#95;&#49;&#125;&#32;&#92;&#92;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#92;&#100;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#92;&#92;&#32;&#65;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#32;&#49;&#125;&#32;&#38;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#65;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#32;&#100;&#95;&#49;&#125;&#32;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#46;&#32;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>Then <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 192px;\"><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-72689d1f33c2cc8b781a92de21dde4a1_l3.png\" height=\"192\" width=\"403\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#121;&#95;&#49;&#32;&#122;&#32;&#92;&#92;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#92;&#92;&#32;&#121;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#125;&#122;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#65;&#95;&#123;&#49;&#49;&#125;&#32;&#38;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#65;&#95;&#123;&#49;&#100;&#95;&#49;&#125;&#32;&#92;&#92;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#92;&#100;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#92;&#92;&#32;&#65;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#32;&#49;&#125;&#32;&#38;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#65;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#32;&#100;&#95;&#49;&#125;&#32;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#121;&#95;&#49;&#32;&#122;&#32;&#92;&#92;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#92;&#92;&#32;&#121;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#125;&#122;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#92;&#92;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#117;&#110;&#100;&#101;&#114;&#98;&#114;&#97;&#99;&#101;&#123;&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#121;&#95;&#49;&#32;&#92;&#92;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#92;&#92;&#32;&#121;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#125;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#125;&#95;&#123;&#121;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#125;&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#122;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#95;&#123;&#49;&#49;&#125;&#122;&#32;&#38;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#122;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#95;&#123;&#49;&#100;&#95;&#49;&#125;&#122;&#32;&#92;&#92;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#92;&#100;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#92;&#92;&#32;&#122;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#32;&#49;&#125;&#122;&#32;&#38;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#122;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#32;&#100;&#95;&#49;&#125;&#122;&#32;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#92;&#117;&#110;&#100;&#101;&#114;&#98;&#114;&#97;&#99;&#101;&#123;&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#121;&#95;&#49;&#32;&#92;&#92;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#92;&#92;&#32;&#121;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#125;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#125;&#95;&#121;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>Taking <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Conditional_expectation\">the expectation over the random vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7506eeeff09aad3bcf6b7259302df451_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#121;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"9\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> alone<\/a> and applying (3), we obtain <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 107px;\"><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-4536f123e88a9b329362cc19825464cc_l3.png\" height=\"107\" width=\"413\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#95;&#121;&#32;&#91;&#40;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#38;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#95;&#49;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#116;&#114;&#32;&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#122;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#95;&#123;&#49;&#49;&#125;&#122;&#32;&#38;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#122;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#95;&#123;&#49;&#100;&#95;&#49;&#125;&#122;&#32;&#92;&#92;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#92;&#100;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#92;&#118;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#92;&#92;&#32;&#122;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#32;&#49;&#125;&#122;&#32;&#38;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#38;&#32;&#122;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#32;&#100;&#95;&#49;&#125;&#122;&#32;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#94;&#50;&#32;&#92;&#92;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#95;&#49;&#32;&#91;&#122;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#40;&#65;&#95;&#123;&#49;&#49;&#125;&#43;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#43;&#32;&#65;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#100;&#95;&#49;&#125;&#41;&#122;&#93;&#94;&#50;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>Taking the expectation over <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;\"\/> and invoking <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Law_of_total_expectation\">the law of total expectation<\/a> then yields <p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><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-5f49a9eb10fd37e189a8f518add54828_l3.png\" height=\"22\" width=\"439\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#32;&#91;&#40;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#38;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#95;&#49;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#95;&#50;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#95;&#123;&#49;&#49;&#125;&#43;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#43;&#32;&#65;&#95;&#123;&#100;&#95;&#49;&#100;&#95;&#49;&#125;&#41;&#94;&#50;&#61;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#95;&#49;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#95;&#50;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#41;&#94;&#50;&#46;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>In the last line, we observe that the trace 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;\"\/> is the sum of the traces of its diagonal blocks <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-56b10a586ad16ed119f469b38734797c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#95;&#123;&#105;&#105;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"23\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/>. Voil\u00e0! We have deduced the bound <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-434b9be6486b07cf1509bbe664e7f3d4_l3.png\" height=\"22\" width=\"205\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#91;&#92;&#101;&#120;&#112;&#101;&#99;&#116;&#32;&#91;&#40;&#120;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#32;&#120;&#41;&#94;&#50;&#93;&#32;&#92;&#108;&#101;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#95;&#49;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#95;&#50;&#32;&#92;&#116;&#114;&#40;&#65;&#41;&#94;&#50;&#44;&#92;&#93;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>which immediately yields the Meyer\u2013Avron bound (2) by iteration.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Let be random vectors and let denote their tensor product. Assume the vectors are isotropic, in the sense that &nbsp; &nbsp; The vector inherits the isotropy property as well . As a consequence, we can use the vector to form an unbiased estimator for the matrix trace . Trace estimation has been a frequent topic<a class=\"more-link\" href=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2026\/03\/03\/note-to-self-trace-estimation-with-tensor-products\/\">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":[9,14],"tags":[],"class_list":["post-2310","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-note-to-self","category-trace-estimation"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2310","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=2310"}],"version-history":[{"count":10,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2310\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":2321,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2310\/revisions\/2321"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2310"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2310"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2310"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}