We study stochastic zeroth order gradient and Hessian estimators for real-valued functions in $\mathbb{R}^n$. We show that, via taking finite difference along random orthogonal directions, the variance of the stochastic finite difference estimators can be significantly reduced. In particular, we design estimators for smooth functions such that, if one uses $ \Theta \left( k \right) $ random directions sampled from the Stiefel's manifold $ \text{St} (n,k) $ and finite-difference granularity $\delta$, the variance of the gradient estimator is bounded by $ \mathcal{O} \left( \left( \frac{n}{k} - 1 \right) + \left( \frac{n^2}{k} - n \right) \delta^2 + \frac{ n^2 \delta^4 }{ k } \right) $, and the variance of the Hessian estimator is bounded by $\mathcal{O} \left( \left( \frac{n^2}{k^2} - 1 \right) + \left( \frac{n^4}{k^2} - n^2 \right) \delta^2 + \frac{n^4 \delta^4 }{k^2} \right) $. When $k = n$, the variances become negligibly small. In addition, we provide improved bias bounds for the estimators. The bias of both gradient and Hessian estimators for smooth function $f$ is of order $\mathcal{O} \left( \delta^2 \Gamma \right)$, where $\delta$ is the finite-difference granularity, and $ \Gamma $ depends on high order derivatives of $f$. Our results are evidenced by empirical observations.


翻译:我们用 $\ mathb{R} 来研究 零 顺序梯度 和 Hesian 估测器 。 我们显示, 通过随机正方方向的有限差异, 随机偏差估测器的差异可以大大缩小 。 特别是, 我们设计 平滑函数的估测器, 如果使用 $\ left ( k\ k\ right) 的 随机方向, 由 Stiefel 的元值 $\ kright ( k\ right) 随机取样 。 (n, k) 美元和 美元 美元 美元 美元 和 美元 美元 。

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