Matrix trace estimation is ubiquitous in machine learning applications and has traditionally relied on Hutchinson's method, which requires $O(\log(1/\delta)/\epsilon^2)$ matrix-vector product queries to achieve a $(1 \pm \epsilon)$-multiplicative approximation to $\text{tr}(A)$ with failure probability $\delta$ on positive-semidefinite input matrices $A$. Recently, the Hutch++ algorithm was proposed, which reduces the number of matrix-vector queries from $O(1/\epsilon^2)$ to the optimal $O(1/\epsilon)$, and the algorithm succeeds with constant probability. However, in the high probability setting, the non-adaptive Hutch++ algorithm suffers an extra $O(\sqrt{\log(1/\delta)})$ multiplicative factor in its query complexity. Non-adaptive methods are important, as they correspond to sketching algorithms, which are mergeable, highly parallelizable, and provide low-memory streaming algorithms as well as low-communication distributed protocols. In this work, we close the gap between non-adaptive and adaptive algorithms, showing that even non-adaptive algorithms can achieve $O(\sqrt{\log(1/\delta)}/\epsilon + \log(1/\delta))$ matrix-vector products. In addition, we prove matching lower bounds demonstrating that, up to a $\log \log(1/\delta)$ factor, no further improvement in the dependence on $\delta$ or $\epsilon$ is possible by any non-adaptive algorithm. Finally, our experiments demonstrate the superior performance of our sketch over the adaptive Hutch++ algorithm, which is less parallelizable, as well as over the non-adaptive Hutchinson's method.


翻译:在机器学习应用程序中, 矩阵的估算是无处不在的, 传统上也依赖 Hutchinson 的方法, 这种方法需要美元( log( 1/ delta) /\ epsilon) /\ epsilon2) 的矩阵- 矢量产品查询, 以达到$( 1\ pm\\ \ \ epsilon) $( A) 的倍复制近似 $\ text{ tr} (A), 其概率为$( $\ delta$) 的正模量输入输入输入矩阵。 最近, Hutch+x的算法提议采用Hutch+ 方法, 将矩阵- 变量查询的数量从$( $( 1/\ eptalon) / $( =2美元) 降低到 最佳的 $( $/\\ epsilslon), 算算算算算算法成功, 以我们的超值方式显示我们更低的变换的算法。

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