math.sin on complex, imaginary part

Average Error: 58.1 → 0.7

Time: 12.6s

Precision: binary64

Math

\[\left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \left(e^{0 - im} - e^{im}\right) \]

↓

\[\begin{array}{l} t_0 := 0.5 \cdot \cos re\\ t_0 \cdot \left({im}^{5} \cdot -0.016666666666666666\right) - t_0 \cdot \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333, {im}^{3}, \mathsf{fma}\left(im, 2, 0.0003968253968253968 \cdot {im}^{7}\right)\right) \end{array} \]

FPCore

(FPCore (re im)
 :precision binary64
 (* (* 0.5 (cos re)) (- (exp (- 0.0 im)) (exp im))))

↓

(FPCore (re im)
 :precision binary64
 (let* ((t_0 (* 0.5 (cos re))))
   (-
    (* t_0 (* (pow im 5.0) -0.016666666666666666))
    (*
     t_0
     (fma
      0.3333333333333333
      (pow im 3.0)
      (fma im 2.0 (* 0.0003968253968253968 (pow im 7.0))))))))

C

double code(double re, double im) {
	return (0.5 * cos(re)) * (exp(0.0 - im) - exp(im));
}

↓

double code(double re, double im) {
	double t_0 = 0.5 * cos(re);
	return (t_0 * (pow(im, 5.0) * -0.016666666666666666)) - (t_0 * fma(0.3333333333333333, pow(im, 3.0), fma(im, 2.0, (0.0003968253968253968 * pow(im, 7.0)))));
}

Error

Bits error versus re

Bits error versus im

Target

Original	58.1
Target	0.3
Herbie	0.7

\[\begin{array}{l} \mathbf{if}\;\left|im\right| < 1:\\ \;\;\;\;-\cos re \cdot \left(\left(im + \left(\left(0.16666666666666666 \cdot im\right) \cdot im\right) \cdot im\right) + \left(\left(\left(\left(0.008333333333333333 \cdot im\right) \cdot im\right) \cdot im\right) \cdot im\right) \cdot im\right)\\ \mathbf{else}:\\ \;\;\;\;\left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \left(e^{0 - im} - e^{im}\right)\\ \end{array} \]

Derivation

1. Initial program 58.1

   \[\left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \left(e^{0 - im} - e^{im}\right) \]

2. Taylor expanded in im around 0 0.8

   \[\leadsto \left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \color{blue}{\left(-\left(0.016666666666666666 \cdot {im}^{5} + \left(0.3333333333333333 \cdot {im}^{3} + \left(0.0003968253968253968 \cdot {im}^{7} + 2 \cdot im\right)\right)\right)\right)} \]

3. Simplified 0.8

   \[\leadsto \left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \color{blue}{\left(-\mathsf{fma}\left(0.016666666666666666, {im}^{5}, \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333, {im}^{3}, \mathsf{fma}\left(im, 2, 0.0003968253968253968 \cdot {im}^{7}\right)\right)\right)\right)} \]

4. Applied fma-udef_binary64 0.8

   \[\leadsto \left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \left(-\color{blue}{\left(0.016666666666666666 \cdot {im}^{5} + \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333, {im}^{3}, \mathsf{fma}\left(im, 2, 0.0003968253968253968 \cdot {im}^{7}\right)\right)\right)}\right) \]

5. Applied distribute-neg-in_binary64 0.8

   \[\leadsto \left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \color{blue}{\left(\left(-0.016666666666666666 \cdot {im}^{5}\right) + \left(-\mathsf{fma}\left(0.3333333333333333, {im}^{3}, \mathsf{fma}\left(im, 2, 0.0003968253968253968 \cdot {im}^{7}\right)\right)\right)\right)} \]

6. Applied distribute-lft-in_binary64 0.7

   \[\leadsto \color{blue}{\left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \left(-0.016666666666666666 \cdot {im}^{5}\right) + \left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \left(-\mathsf{fma}\left(0.3333333333333333, {im}^{3}, \mathsf{fma}\left(im, 2, 0.0003968253968253968 \cdot {im}^{7}\right)\right)\right)} \]

7. Final simplification 0.7

   \[\leadsto \left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \left({im}^{5} \cdot -0.016666666666666666\right) - \left(0.5 \cdot \cos re\right) \cdot \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333, {im}^{3}, \mathsf{fma}\left(im, 2, 0.0003968253968253968 \cdot {im}^{7}\right)\right) \]

Reproduce

herbie shell --seed 2022093 
(FPCore (re im)
  :name "math.sin on complex, imaginary part"
  :precision binary64

  :herbie-target
  (if (< (fabs im) 1.0) (- (* (cos re) (+ (+ im (* (* (* 0.16666666666666666 im) im) im)) (* (* (* (* (* 0.008333333333333333 im) im) im) im) im)))) (* (* 0.5 (cos re)) (- (exp (- 0.0 im)) (exp im))))

  (* (* 0.5 (cos re)) (- (exp (- 0.0 im)) (exp im))))