Octave 3.8, oct_fill_randg

Percentage Accurate: 99.7% → 99.8%

Time: 9.0s

Alternatives: 12

Speedup: 2.4×

Specification

Math

\[\begin{array}{l} \\ \begin{array}{l} t_0 := a - \frac{1}{3}\\ t\_0 \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot t\_0}} \cdot rand\right) \end{array} \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (let* ((t_0 (- a (/ 1.0 3.0))))
   (* t_0 (+ 1.0 (* (/ 1.0 (sqrt (* 9.0 t_0))) rand)))))

C

double code(double a, double rand) {
	double t_0 = a - (1.0 / 3.0);
	return t_0 * (1.0 + ((1.0 / sqrt((9.0 * t_0))) * rand));
}

Fortran

real(8) function code(a, rand)
    real(8), intent (in) :: a
    real(8), intent (in) :: rand
    real(8) :: t_0
    t_0 = a - (1.0d0 / 3.0d0)
    code = t_0 * (1.0d0 + ((1.0d0 / sqrt((9.0d0 * t_0))) * rand))
end function

Java

public static double code(double a, double rand) {
	double t_0 = a - (1.0 / 3.0);
	return t_0 * (1.0 + ((1.0 / Math.sqrt((9.0 * t_0))) * rand));
}

Python

def code(a, rand):
	t_0 = a - (1.0 / 3.0)
	return t_0 * (1.0 + ((1.0 / math.sqrt((9.0 * t_0))) * rand))

Julia

function code(a, rand)
	t_0 = Float64(a - Float64(1.0 / 3.0))
	return Float64(t_0 * Float64(1.0 + Float64(Float64(1.0 / sqrt(Float64(9.0 * t_0))) * rand)))
end

MATLAB

function tmp = code(a, rand)
	t_0 = a - (1.0 / 3.0);
	tmp = t_0 * (1.0 + ((1.0 / sqrt((9.0 * t_0))) * rand));
end

Wolfram

code[a_, rand_] := Block[{t$95$0 = N[(a - N[(1.0 / 3.0), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]}, N[(t$95$0 * N[(1.0 + N[(N[(1.0 / N[Sqrt[N[(9.0 * t$95$0), $MachinePrecision]], $MachinePrecision]), $MachinePrecision] * rand), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]]

Initial Program: 99.7% accurate, 1.0× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \begin{array}{l} t_0 := a - \frac{1}{3}\\ t\_0 \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot t\_0}} \cdot rand\right) \end{array} \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (let* ((t_0 (- a (/ 1.0 3.0))))
   (* t_0 (+ 1.0 (* (/ 1.0 (sqrt (* 9.0 t_0))) rand)))))

C

double code(double a, double rand) {
	double t_0 = a - (1.0 / 3.0);
	return t_0 * (1.0 + ((1.0 / sqrt((9.0 * t_0))) * rand));
}

Fortran

real(8) function code(a, rand)
    real(8), intent (in) :: a
    real(8), intent (in) :: rand
    real(8) :: t_0
    t_0 = a - (1.0d0 / 3.0d0)
    code = t_0 * (1.0d0 + ((1.0d0 / sqrt((9.0d0 * t_0))) * rand))
end function

Java

public static double code(double a, double rand) {
	double t_0 = a - (1.0 / 3.0);
	return t_0 * (1.0 + ((1.0 / Math.sqrt((9.0 * t_0))) * rand));
}

Python

def code(a, rand):
	t_0 = a - (1.0 / 3.0)
	return t_0 * (1.0 + ((1.0 / math.sqrt((9.0 * t_0))) * rand))

Julia

function code(a, rand)
	t_0 = Float64(a - Float64(1.0 / 3.0))
	return Float64(t_0 * Float64(1.0 + Float64(Float64(1.0 / sqrt(Float64(9.0 * t_0))) * rand)))
end

MATLAB

function tmp = code(a, rand)
	t_0 = a - (1.0 / 3.0);
	tmp = t_0 * (1.0 + ((1.0 / sqrt((9.0 * t_0))) * rand));
end

Wolfram

code[a_, rand_] := Block[{t$95$0 = N[(a - N[(1.0 / 3.0), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]}, N[(t$95$0 * N[(1.0 + N[(N[(1.0 / N[Sqrt[N[(9.0 * t$95$0), $MachinePrecision]], $MachinePrecision]), $MachinePrecision] * rand), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]]

Alternative 1: 99.8% accurate, 1.7× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \mathsf{fma}\left(\frac{a - 0.3333333333333333}{\sqrt{\mathsf{fma}\left(a, 9, -3\right)}}, rand, a - 0.3333333333333333\right) \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (fma
  (/ (- a 0.3333333333333333) (sqrt (fma a 9.0 -3.0)))
  rand
  (- a 0.3333333333333333)))

C

double code(double a, double rand) {
	return fma(((a - 0.3333333333333333) / sqrt(fma(a, 9.0, -3.0))), rand, (a - 0.3333333333333333));
}

Julia

function code(a, rand)
	return fma(Float64(Float64(a - 0.3333333333333333) / sqrt(fma(a, 9.0, -3.0))), rand, Float64(a - 0.3333333333333333))
end

Wolfram

code[a_, rand_] := N[(N[(N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision] / N[Sqrt[N[(a * 9.0 + -3.0), $MachinePrecision]], $MachinePrecision]), $MachinePrecision] * rand + N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]

Derivation

1. Initial program 99.8%

   \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
2. Add Preprocessing
3. Step-by-step derivation

   1. lift-*.f64 N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right)} \]

   2. lift-+.f64 N/A

      \[\leadsto \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \color{blue}{\left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right)} \]

   3. +-commutative N/A

      \[\leadsto \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \color{blue}{\left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand + 1\right)} \]

   4. distribute-lft-in N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) + \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot 1} \]

   5. *-lft-identity N/A

      \[\leadsto \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot \color{blue}{\left(1 \cdot rand\right)}\right) + \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot 1 \]

   6. lower-*.f64 N/A

      \[\leadsto \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \color{blue}{\left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot \left(1 \cdot rand\right)\right)} + \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot 1 \]

   7. associate-*r* N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}}\right) \cdot \left(1 \cdot rand\right)} + \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot 1 \]

   8. *-rgt-identity N/A

      \[\leadsto \left(\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}}\right) \cdot \left(1 \cdot rand\right) + \color{blue}{\left(a - \frac{1}{3}\right)} \]

   9. lower-fma.f64 N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}}, 1 \cdot rand, a - \frac{1}{3}\right)} \]

4. Applied rewrites 99.8%

   \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\frac{a - 0.3333333333333333}{\sqrt{\mathsf{fma}\left(a, 9, -3\right)}}, rand, a - 0.3333333333333333\right)} \]
5. Add Preprocessing

Alternative 2: 99.8% accurate, 1.7× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \mathsf{fma}\left(\frac{rand}{\sqrt{\mathsf{fma}\left(a, 9, -3\right)}}, a - 0.3333333333333333, a - 0.3333333333333333\right) \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (fma
  (/ rand (sqrt (fma a 9.0 -3.0)))
  (- a 0.3333333333333333)
  (- a 0.3333333333333333)))

C

double code(double a, double rand) {
	return fma((rand / sqrt(fma(a, 9.0, -3.0))), (a - 0.3333333333333333), (a - 0.3333333333333333));
}

Julia

function code(a, rand)
	return fma(Float64(rand / sqrt(fma(a, 9.0, -3.0))), Float64(a - 0.3333333333333333), Float64(a - 0.3333333333333333))
end

Wolfram

code[a_, rand_] := N[(N[(rand / N[Sqrt[N[(a * 9.0 + -3.0), $MachinePrecision]], $MachinePrecision]), $MachinePrecision] * N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision] + N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]

Derivation

1. Initial program 99.8%

   \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
2. Add Preprocessing
3. Step-by-step derivation

   1. lift-*.f64 N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right)} \]

   2. lift-+.f64 N/A

      \[\leadsto \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \color{blue}{\left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right)} \]

   3. +-commutative N/A

      \[\leadsto \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \color{blue}{\left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand + 1\right)} \]

   4. distribute-rgt-in N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right) + 1 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)} \]

   5. *-lft-identity N/A

      \[\leadsto \left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right) + \color{blue}{\left(a - \frac{1}{3}\right)} \]

   6. lower-fma.f64 99.8

      \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand, a - \frac{1}{3}, a - \frac{1}{3}\right)} \]

4. Applied rewrites 99.8%

   \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\frac{rand}{\sqrt{\mathsf{fma}\left(a, 9, -3\right)}}, a - 0.3333333333333333, a - 0.3333333333333333\right)} \]
5. Add Preprocessing

Alternative 3: 92.8% accurate, 1.9× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \begin{array}{l} \mathbf{if}\;rand \leq -2.7 \cdot 10^{+87} \lor \neg \left(rand \leq 3.6 \cdot 10^{+89}\right):\\ \;\;\;\;\left(\sqrt{a - 0.3333333333333333} \cdot 0.3333333333333333\right) \cdot rand\\ \mathbf{else}:\\ \;\;\;\;a - 0.3333333333333333\\ \end{array} \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (if (or (<= rand -2.7e+87) (not (<= rand 3.6e+89)))
   (* (* (sqrt (- a 0.3333333333333333)) 0.3333333333333333) rand)
   (- a 0.3333333333333333)))

C

double code(double a, double rand) {
	double tmp;
	if ((rand <= -2.7e+87) || !(rand <= 3.6e+89)) {
		tmp = (sqrt((a - 0.3333333333333333)) * 0.3333333333333333) * rand;
	} else {
		tmp = a - 0.3333333333333333;
	}
	return tmp;
}

Fortran

real(8) function code(a, rand)
    real(8), intent (in) :: a
    real(8), intent (in) :: rand
    real(8) :: tmp
    if ((rand <= (-2.7d+87)) .or. (.not. (rand <= 3.6d+89))) then
        tmp = (sqrt((a - 0.3333333333333333d0)) * 0.3333333333333333d0) * rand
    else
        tmp = a - 0.3333333333333333d0
    end if
    code = tmp
end function

Java

public static double code(double a, double rand) {
	double tmp;
	if ((rand <= -2.7e+87) || !(rand <= 3.6e+89)) {
		tmp = (Math.sqrt((a - 0.3333333333333333)) * 0.3333333333333333) * rand;
	} else {
		tmp = a - 0.3333333333333333;
	}
	return tmp;
}

Python

def code(a, rand):
	tmp = 0
	if (rand <= -2.7e+87) or not (rand <= 3.6e+89):
		tmp = (math.sqrt((a - 0.3333333333333333)) * 0.3333333333333333) * rand
	else:
		tmp = a - 0.3333333333333333
	return tmp

Julia

function code(a, rand)
	tmp = 0.0
	if ((rand <= -2.7e+87) || !(rand <= 3.6e+89))
		tmp = Float64(Float64(sqrt(Float64(a - 0.3333333333333333)) * 0.3333333333333333) * rand);
	else
		tmp = Float64(a - 0.3333333333333333);
	end
	return tmp
end

MATLAB

function tmp_2 = code(a, rand)
	tmp = 0.0;
	if ((rand <= -2.7e+87) || ~((rand <= 3.6e+89)))
		tmp = (sqrt((a - 0.3333333333333333)) * 0.3333333333333333) * rand;
	else
		tmp = a - 0.3333333333333333;
	end
	tmp_2 = tmp;
end

Wolfram

code[a_, rand_] := If[Or[LessEqual[rand, -2.7e+87], N[Not[LessEqual[rand, 3.6e+89]], $MachinePrecision]], N[(N[(N[Sqrt[N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]], $MachinePrecision] * 0.3333333333333333), $MachinePrecision] * rand), $MachinePrecision], N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]]

Derivation

1. Split input into 2 regimes

2. if rand < -2.70000000000000007e87 or 3.6e89 < rand

   1. Initial program 99.4%

      \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
   2. Add Preprocessing

   3. Taylor expanded in rand around inf

      \[\leadsto \color{blue}{rand \cdot \left(\left(\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}} + \frac{a}{rand}\right) - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{rand}\right)} \]
   4. Step-by-step derivation

      1. *-commutative N/A

         \[\leadsto \color{blue}{\left(\left(\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}} + \frac{a}{rand}\right) - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{rand}\right) \cdot rand} \]

      2. lower-*.f64 N/A

         \[\leadsto \color{blue}{\left(\left(\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}} + \frac{a}{rand}\right) - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{rand}\right) \cdot rand} \]

      3. associate--l+ N/A

         \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}} + \left(\frac{a}{rand} - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{rand}\right)\right)} \cdot rand \]

      4. *-commutative N/A

         \[\leadsto \left(\color{blue}{\sqrt{a - \frac{1}{3}} \cdot \frac{1}{3}} + \left(\frac{a}{rand} - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{rand}\right)\right) \cdot rand \]

      5. associate-*r/ N/A

         \[\leadsto \left(\sqrt{a - \frac{1}{3}} \cdot \frac{1}{3} + \left(\frac{a}{rand} - \color{blue}{\frac{\frac{1}{3} \cdot 1}{rand}}\right)\right) \cdot rand \]

      6. metadata-eval N/A

         \[\leadsto \left(\sqrt{a - \frac{1}{3}} \cdot \frac{1}{3} + \left(\frac{a}{rand} - \frac{\color{blue}{\frac{1}{3}}}{rand}\right)\right) \cdot rand \]

      7. div-sub N/A

         \[\leadsto \left(\sqrt{a - \frac{1}{3}} \cdot \frac{1}{3} + \color{blue}{\frac{a - \frac{1}{3}}{rand}}\right) \cdot rand \]

      8. lower-fma.f64 N/A

         \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\sqrt{a - \frac{1}{3}}, \frac{1}{3}, \frac{a - \frac{1}{3}}{rand}\right)} \cdot rand \]

      9. lower-sqrt.f64 N/A

         \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\sqrt{a - \frac{1}{3}}}, \frac{1}{3}, \frac{a - \frac{1}{3}}{rand}\right) \cdot rand \]

      10. lower--.f64 N/A

          \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\sqrt{\color{blue}{a - \frac{1}{3}}}, \frac{1}{3}, \frac{a - \frac{1}{3}}{rand}\right) \cdot rand \]

      11. lower-/.f64 N/A

          \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\sqrt{a - \frac{1}{3}}, \frac{1}{3}, \color{blue}{\frac{a - \frac{1}{3}}{rand}}\right) \cdot rand \]

      12. lower--.f64 99.6

          \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\sqrt{a - 0.3333333333333333}, 0.3333333333333333, \frac{\color{blue}{a - 0.3333333333333333}}{rand}\right) \cdot rand \]

   5. Applied rewrites 99.6%

      \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\sqrt{a - 0.3333333333333333}, 0.3333333333333333, \frac{a - 0.3333333333333333}{rand}\right) \cdot rand} \]

   6. Taylor expanded in rand around inf

      \[\leadsto \left(\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right) \cdot rand \]
   7. Step-by-step derivation

   8. Applied rewrites 97.2%

      \[\leadsto \left(\sqrt{a - 0.3333333333333333} \cdot 0.3333333333333333\right) \cdot rand \]

   if -2.70000000000000007e87 < rand < 3.6e89

   1. Initial program 99.9%

      \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
   2. Add Preprocessing

   3. Taylor expanded in rand around 0

      \[\leadsto \color{blue}{a - \frac{1}{3}} \]
   4. Step-by-step derivation

      1. lower--.f64 94.5

         \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]

   5. Applied rewrites 94.5%

      \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]
3. Recombined 2 regimes into one program.

4. Final simplification 95.5%

   \[\leadsto \begin{array}{l} \mathbf{if}\;rand \leq -2.7 \cdot 10^{+87} \lor \neg \left(rand \leq 3.6 \cdot 10^{+89}\right):\\ \;\;\;\;\left(\sqrt{a - 0.3333333333333333} \cdot 0.3333333333333333\right) \cdot rand\\ \mathbf{else}:\\ \;\;\;\;a - 0.3333333333333333\\ \end{array} \]
5. Add Preprocessing

Alternative 4: 92.1% accurate, 2.1× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \begin{array}{l} \mathbf{if}\;rand \leq -3 \cdot 10^{+87} \lor \neg \left(rand \leq 3.6 \cdot 10^{+89}\right):\\ \;\;\;\;\left(\sqrt{a} \cdot 0.3333333333333333\right) \cdot rand\\ \mathbf{else}:\\ \;\;\;\;a - 0.3333333333333333\\ \end{array} \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (if (or (<= rand -3e+87) (not (<= rand 3.6e+89)))
   (* (* (sqrt a) 0.3333333333333333) rand)
   (- a 0.3333333333333333)))

C

double code(double a, double rand) {
	double tmp;
	if ((rand <= -3e+87) || !(rand <= 3.6e+89)) {
		tmp = (sqrt(a) * 0.3333333333333333) * rand;
	} else {
		tmp = a - 0.3333333333333333;
	}
	return tmp;
}

Fortran

real(8) function code(a, rand)
    real(8), intent (in) :: a
    real(8), intent (in) :: rand
    real(8) :: tmp
    if ((rand <= (-3d+87)) .or. (.not. (rand <= 3.6d+89))) then
        tmp = (sqrt(a) * 0.3333333333333333d0) * rand
    else
        tmp = a - 0.3333333333333333d0
    end if
    code = tmp
end function

Java

public static double code(double a, double rand) {
	double tmp;
	if ((rand <= -3e+87) || !(rand <= 3.6e+89)) {
		tmp = (Math.sqrt(a) * 0.3333333333333333) * rand;
	} else {
		tmp = a - 0.3333333333333333;
	}
	return tmp;
}

Python

def code(a, rand):
	tmp = 0
	if (rand <= -3e+87) or not (rand <= 3.6e+89):
		tmp = (math.sqrt(a) * 0.3333333333333333) * rand
	else:
		tmp = a - 0.3333333333333333
	return tmp

Julia

function code(a, rand)
	tmp = 0.0
	if ((rand <= -3e+87) || !(rand <= 3.6e+89))
		tmp = Float64(Float64(sqrt(a) * 0.3333333333333333) * rand);
	else
		tmp = Float64(a - 0.3333333333333333);
	end
	return tmp
end

MATLAB

function tmp_2 = code(a, rand)
	tmp = 0.0;
	if ((rand <= -3e+87) || ~((rand <= 3.6e+89)))
		tmp = (sqrt(a) * 0.3333333333333333) * rand;
	else
		tmp = a - 0.3333333333333333;
	end
	tmp_2 = tmp;
end

Wolfram

code[a_, rand_] := If[Or[LessEqual[rand, -3e+87], N[Not[LessEqual[rand, 3.6e+89]], $MachinePrecision]], N[(N[(N[Sqrt[a], $MachinePrecision] * 0.3333333333333333), $MachinePrecision] * rand), $MachinePrecision], N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]]

Derivation

1. Split input into 2 regimes

2. if rand < -2.9999999999999999e87 or 3.6e89 < rand

   1. Initial program 99.4%

      \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
   2. Add Preprocessing

   3. Taylor expanded in rand around inf

      \[\leadsto \color{blue}{rand \cdot \left(\left(\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}} + \frac{a}{rand}\right) - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{rand}\right)} \]
   4. Step-by-step derivation

      1. *-commutative N/A

         \[\leadsto \color{blue}{\left(\left(\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}} + \frac{a}{rand}\right) - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{rand}\right) \cdot rand} \]

      2. lower-*.f64 N/A

         \[\leadsto \color{blue}{\left(\left(\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}} + \frac{a}{rand}\right) - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{rand}\right) \cdot rand} \]

      3. associate--l+ N/A

         \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}} + \left(\frac{a}{rand} - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{rand}\right)\right)} \cdot rand \]

      4. *-commutative N/A

         \[\leadsto \left(\color{blue}{\sqrt{a - \frac{1}{3}} \cdot \frac{1}{3}} + \left(\frac{a}{rand} - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{rand}\right)\right) \cdot rand \]

      5. associate-*r/ N/A

         \[\leadsto \left(\sqrt{a - \frac{1}{3}} \cdot \frac{1}{3} + \left(\frac{a}{rand} - \color{blue}{\frac{\frac{1}{3} \cdot 1}{rand}}\right)\right) \cdot rand \]

      6. metadata-eval N/A

         \[\leadsto \left(\sqrt{a - \frac{1}{3}} \cdot \frac{1}{3} + \left(\frac{a}{rand} - \frac{\color{blue}{\frac{1}{3}}}{rand}\right)\right) \cdot rand \]

      7. div-sub N/A

         \[\leadsto \left(\sqrt{a - \frac{1}{3}} \cdot \frac{1}{3} + \color{blue}{\frac{a - \frac{1}{3}}{rand}}\right) \cdot rand \]

      8. lower-fma.f64 N/A

         \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\sqrt{a - \frac{1}{3}}, \frac{1}{3}, \frac{a - \frac{1}{3}}{rand}\right)} \cdot rand \]

      9. lower-sqrt.f64 N/A

         \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\sqrt{a - \frac{1}{3}}}, \frac{1}{3}, \frac{a - \frac{1}{3}}{rand}\right) \cdot rand \]

      10. lower--.f64 N/A

          \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\sqrt{\color{blue}{a - \frac{1}{3}}}, \frac{1}{3}, \frac{a - \frac{1}{3}}{rand}\right) \cdot rand \]

      11. lower-/.f64 N/A

          \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\sqrt{a - \frac{1}{3}}, \frac{1}{3}, \color{blue}{\frac{a - \frac{1}{3}}{rand}}\right) \cdot rand \]

      12. lower--.f64 99.6

          \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\sqrt{a - 0.3333333333333333}, 0.3333333333333333, \frac{\color{blue}{a - 0.3333333333333333}}{rand}\right) \cdot rand \]

   5. Applied rewrites 99.6%

      \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\sqrt{a - 0.3333333333333333}, 0.3333333333333333, \frac{a - 0.3333333333333333}{rand}\right) \cdot rand} \]

   6. Taylor expanded in rand around inf

      \[\leadsto \left(\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right) \cdot rand \]
   7. Step-by-step derivation

   8. Applied rewrites 97.2%

      \[\leadsto \left(\sqrt{a - 0.3333333333333333} \cdot 0.3333333333333333\right) \cdot rand \]

   9. Taylor expanded in a around inf

      \[\leadsto \left(\sqrt{a} \cdot \frac{1}{3}\right) \cdot rand \]
   10. Step-by-step derivation

   11. Applied rewrites 94.5%

       \[\leadsto \left(\sqrt{a} \cdot 0.3333333333333333\right) \cdot rand \]

   if -2.9999999999999999e87 < rand < 3.6e89

   1. Initial program 99.9%

      \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
   2. Add Preprocessing

   3. Taylor expanded in rand around 0

      \[\leadsto \color{blue}{a - \frac{1}{3}} \]
   4. Step-by-step derivation

      1. lower--.f64 94.5

         \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]

   5. Applied rewrites 94.5%

      \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]
3. Recombined 2 regimes into one program.

4. Final simplification 94.5%

   \[\leadsto \begin{array}{l} \mathbf{if}\;rand \leq -3 \cdot 10^{+87} \lor \neg \left(rand \leq 3.6 \cdot 10^{+89}\right):\\ \;\;\;\;\left(\sqrt{a} \cdot 0.3333333333333333\right) \cdot rand\\ \mathbf{else}:\\ \;\;\;\;a - 0.3333333333333333\\ \end{array} \]
5. Add Preprocessing

Alternative 5: 99.8% accurate, 2.4× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \mathsf{fma}\left(\sqrt{a - 0.3333333333333333} \cdot rand, 0.3333333333333333, a - 0.3333333333333333\right) \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (fma
  (* (sqrt (- a 0.3333333333333333)) rand)
  0.3333333333333333
  (- a 0.3333333333333333)))

C

double code(double a, double rand) {
	return fma((sqrt((a - 0.3333333333333333)) * rand), 0.3333333333333333, (a - 0.3333333333333333));
}

Julia

function code(a, rand)
	return fma(Float64(sqrt(Float64(a - 0.3333333333333333)) * rand), 0.3333333333333333, Float64(a - 0.3333333333333333))
end

Wolfram

code[a_, rand_] := N[(N[(N[Sqrt[N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]], $MachinePrecision] * rand), $MachinePrecision] * 0.3333333333333333 + N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]

Derivation

1. Initial program 99.8%

   \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
2. Add Preprocessing

3. Taylor expanded in rand around 0

   \[\leadsto \color{blue}{\left(a + \frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right)\right) - \frac{1}{3}} \]
4. Step-by-step derivation

   1. +-commutative N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right) + a\right)} - \frac{1}{3} \]

   2. associate--l+ N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right) + \left(a - \frac{1}{3}\right)} \]

   3. associate-*r* N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{3} \cdot rand\right) \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}} + \left(a - \frac{1}{3}\right) \]

   4. lower-fma.f64 N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \sqrt{a - \frac{1}{3}}, a - \frac{1}{3}\right)} \]

   5. lower-*.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\frac{1}{3} \cdot rand}, \sqrt{a - \frac{1}{3}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   6. lower-sqrt.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \color{blue}{\sqrt{a - \frac{1}{3}}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   7. lower--.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \sqrt{\color{blue}{a - \frac{1}{3}}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   8. lower--.f64 99.8

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a - 0.3333333333333333}, \color{blue}{a - 0.3333333333333333}\right) \]

5. Applied rewrites 99.8%

   \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a - 0.3333333333333333}, a - 0.3333333333333333\right)} \]
6. Step-by-step derivation

7. Applied rewrites 99.8%

   \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\sqrt{a - 0.3333333333333333} \cdot rand, \color{blue}{0.3333333333333333}, a - 0.3333333333333333\right) \]
8. Add Preprocessing

Alternative 6: 99.8% accurate, 2.4× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a - 0.3333333333333333}, a - 0.3333333333333333\right) \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (fma
  (* 0.3333333333333333 rand)
  (sqrt (- a 0.3333333333333333))
  (- a 0.3333333333333333)))

C

double code(double a, double rand) {
	return fma((0.3333333333333333 * rand), sqrt((a - 0.3333333333333333)), (a - 0.3333333333333333));
}

Julia

function code(a, rand)
	return fma(Float64(0.3333333333333333 * rand), sqrt(Float64(a - 0.3333333333333333)), Float64(a - 0.3333333333333333))
end

Wolfram

code[a_, rand_] := N[(N[(0.3333333333333333 * rand), $MachinePrecision] * N[Sqrt[N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]], $MachinePrecision] + N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]

Derivation

1. Initial program 99.8%

   \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
2. Add Preprocessing

3. Taylor expanded in rand around 0

   \[\leadsto \color{blue}{\left(a + \frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right)\right) - \frac{1}{3}} \]
4. Step-by-step derivation

   1. +-commutative N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right) + a\right)} - \frac{1}{3} \]

   2. associate--l+ N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right) + \left(a - \frac{1}{3}\right)} \]

   3. associate-*r* N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{3} \cdot rand\right) \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}} + \left(a - \frac{1}{3}\right) \]

   4. lower-fma.f64 N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \sqrt{a - \frac{1}{3}}, a - \frac{1}{3}\right)} \]

   5. lower-*.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\frac{1}{3} \cdot rand}, \sqrt{a - \frac{1}{3}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   6. lower-sqrt.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \color{blue}{\sqrt{a - \frac{1}{3}}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   7. lower--.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \sqrt{\color{blue}{a - \frac{1}{3}}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   8. lower--.f64 99.8

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a - 0.3333333333333333}, \color{blue}{a - 0.3333333333333333}\right) \]

5. Applied rewrites 99.8%

   \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a - 0.3333333333333333}, a - 0.3333333333333333\right)} \]
6. Add Preprocessing

Alternative 7: 98.7% accurate, 2.7× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \mathsf{fma}\left(\sqrt{a} \cdot 0.3333333333333333, rand, a - 0.3333333333333333\right) \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (fma (* (sqrt a) 0.3333333333333333) rand (- a 0.3333333333333333)))

C

double code(double a, double rand) {
	return fma((sqrt(a) * 0.3333333333333333), rand, (a - 0.3333333333333333));
}

Julia

function code(a, rand)
	return fma(Float64(sqrt(a) * 0.3333333333333333), rand, Float64(a - 0.3333333333333333))
end

Wolfram

code[a_, rand_] := N[(N[(N[Sqrt[a], $MachinePrecision] * 0.3333333333333333), $MachinePrecision] * rand + N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]

Derivation

1. Initial program 99.8%

   \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
2. Add Preprocessing
3. Step-by-step derivation

   1. lift-*.f64 N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right)} \]

   2. lift-+.f64 N/A

      \[\leadsto \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \color{blue}{\left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right)} \]

   3. +-commutative N/A

      \[\leadsto \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \color{blue}{\left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand + 1\right)} \]

   4. distribute-lft-in N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) + \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot 1} \]

   5. *-lft-identity N/A

      \[\leadsto \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot \color{blue}{\left(1 \cdot rand\right)}\right) + \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot 1 \]

   6. lower-*.f64 N/A

      \[\leadsto \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \color{blue}{\left(\frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot \left(1 \cdot rand\right)\right)} + \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot 1 \]

   7. associate-*r* N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}}\right) \cdot \left(1 \cdot rand\right)} + \left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot 1 \]

   8. *-rgt-identity N/A

      \[\leadsto \left(\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}}\right) \cdot \left(1 \cdot rand\right) + \color{blue}{\left(a - \frac{1}{3}\right)} \]

   9. lower-fma.f64 N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}}, 1 \cdot rand, a - \frac{1}{3}\right)} \]

4. Applied rewrites 99.8%

   \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\frac{a - 0.3333333333333333}{\sqrt{\mathsf{fma}\left(a, 9, -3\right)}}, rand, a - 0.3333333333333333\right)} \]

5. Taylor expanded in a around inf

   \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\frac{1}{3} \cdot \sqrt{a}}, rand, a - \frac{1}{3}\right) \]
6. Step-by-step derivation

   1. *-commutative N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\sqrt{a} \cdot \frac{1}{3}}, rand, a - \frac{1}{3}\right) \]

   2. lower-*.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\sqrt{a} \cdot \frac{1}{3}}, rand, a - \frac{1}{3}\right) \]

   3. lower-sqrt.f64 98.1

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\sqrt{a}} \cdot 0.3333333333333333, rand, a - 0.3333333333333333\right) \]

7. Applied rewrites 98.1%

   \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\sqrt{a} \cdot 0.3333333333333333}, rand, a - 0.3333333333333333\right) \]
8. Add Preprocessing

Alternative 8: 98.7% accurate, 2.7× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \mathsf{fma}\left(\sqrt{a} \cdot rand, 0.3333333333333333, a - 0.3333333333333333\right) \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (fma (* (sqrt a) rand) 0.3333333333333333 (- a 0.3333333333333333)))

C

double code(double a, double rand) {
	return fma((sqrt(a) * rand), 0.3333333333333333, (a - 0.3333333333333333));
}

Julia

function code(a, rand)
	return fma(Float64(sqrt(a) * rand), 0.3333333333333333, Float64(a - 0.3333333333333333))
end

Wolfram

code[a_, rand_] := N[(N[(N[Sqrt[a], $MachinePrecision] * rand), $MachinePrecision] * 0.3333333333333333 + N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]

Derivation

1. Initial program 99.8%

   \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
2. Add Preprocessing

3. Taylor expanded in rand around 0

   \[\leadsto \color{blue}{\left(a + \frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right)\right) - \frac{1}{3}} \]
4. Step-by-step derivation

   1. +-commutative N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right) + a\right)} - \frac{1}{3} \]

   2. associate--l+ N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right) + \left(a - \frac{1}{3}\right)} \]

   3. associate-*r* N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{3} \cdot rand\right) \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}} + \left(a - \frac{1}{3}\right) \]

   4. lower-fma.f64 N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \sqrt{a - \frac{1}{3}}, a - \frac{1}{3}\right)} \]

   5. lower-*.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\frac{1}{3} \cdot rand}, \sqrt{a - \frac{1}{3}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   6. lower-sqrt.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \color{blue}{\sqrt{a - \frac{1}{3}}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   7. lower--.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \sqrt{\color{blue}{a - \frac{1}{3}}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   8. lower--.f64 99.8

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a - 0.3333333333333333}, \color{blue}{a - 0.3333333333333333}\right) \]

5. Applied rewrites 99.8%

   \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a - 0.3333333333333333}, a - 0.3333333333333333\right)} \]

6. Taylor expanded in a around inf

   \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \sqrt{a}, a - \frac{1}{3}\right) \]
7. Step-by-step derivation

8. Applied rewrites 98.0%

   \[\leadsto \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a}, a - 0.3333333333333333\right) \]
9. Step-by-step derivation

10. Applied rewrites 98.0%

    \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\sqrt{a} \cdot rand, \color{blue}{0.3333333333333333}, a - 0.3333333333333333\right) \]
11. Add Preprocessing

Alternative 9: 98.7% accurate, 2.7× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a}, a - 0.3333333333333333\right) \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (fma (* 0.3333333333333333 rand) (sqrt a) (- a 0.3333333333333333)))

C

double code(double a, double rand) {
	return fma((0.3333333333333333 * rand), sqrt(a), (a - 0.3333333333333333));
}

Julia

function code(a, rand)
	return fma(Float64(0.3333333333333333 * rand), sqrt(a), Float64(a - 0.3333333333333333))
end

Wolfram

code[a_, rand_] := N[(N[(0.3333333333333333 * rand), $MachinePrecision] * N[Sqrt[a], $MachinePrecision] + N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]), $MachinePrecision]

Derivation

1. Initial program 99.8%

   \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
2. Add Preprocessing

3. Taylor expanded in rand around 0

   \[\leadsto \color{blue}{\left(a + \frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right)\right) - \frac{1}{3}} \]
4. Step-by-step derivation

   1. +-commutative N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right) + a\right)} - \frac{1}{3} \]

   2. associate--l+ N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\frac{1}{3} \cdot \left(rand \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}\right) + \left(a - \frac{1}{3}\right)} \]

   3. associate-*r* N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\left(\frac{1}{3} \cdot rand\right) \cdot \sqrt{a - \frac{1}{3}}} + \left(a - \frac{1}{3}\right) \]

   4. lower-fma.f64 N/A

      \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \sqrt{a - \frac{1}{3}}, a - \frac{1}{3}\right)} \]

   5. lower-*.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\color{blue}{\frac{1}{3} \cdot rand}, \sqrt{a - \frac{1}{3}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   6. lower-sqrt.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \color{blue}{\sqrt{a - \frac{1}{3}}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   7. lower--.f64 N/A

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \sqrt{\color{blue}{a - \frac{1}{3}}}, a - \frac{1}{3}\right) \]

   8. lower--.f64 99.8

      \[\leadsto \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a - 0.3333333333333333}, \color{blue}{a - 0.3333333333333333}\right) \]

5. Applied rewrites 99.8%

   \[\leadsto \color{blue}{\mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a - 0.3333333333333333}, a - 0.3333333333333333\right)} \]

6. Taylor expanded in a around inf

   \[\leadsto \mathsf{fma}\left(\frac{1}{3} \cdot rand, \sqrt{a}, a - \frac{1}{3}\right) \]
7. Step-by-step derivation

8. Applied rewrites 98.0%

   \[\leadsto \mathsf{fma}\left(0.3333333333333333 \cdot rand, \sqrt{a}, a - 0.3333333333333333\right) \]
9. Add Preprocessing

Alternative 10: 67.5% accurate, 3.0× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ \begin{array}{l} \mathbf{if}\;rand \leq 3.1 \cdot 10^{+152}:\\ \;\;\;\;a - 0.3333333333333333\\ \mathbf{else}:\\ \;\;\;\;\frac{a \cdot a}{0.3333333333333333}\\ \end{array} \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand)
 :precision binary64
 (if (<= rand 3.1e+152)
   (- a 0.3333333333333333)
   (/ (* a a) 0.3333333333333333)))

C

double code(double a, double rand) {
	double tmp;
	if (rand <= 3.1e+152) {
		tmp = a - 0.3333333333333333;
	} else {
		tmp = (a * a) / 0.3333333333333333;
	}
	return tmp;
}

Fortran

real(8) function code(a, rand)
    real(8), intent (in) :: a
    real(8), intent (in) :: rand
    real(8) :: tmp
    if (rand <= 3.1d+152) then
        tmp = a - 0.3333333333333333d0
    else
        tmp = (a * a) / 0.3333333333333333d0
    end if
    code = tmp
end function

Java

public static double code(double a, double rand) {
	double tmp;
	if (rand <= 3.1e+152) {
		tmp = a - 0.3333333333333333;
	} else {
		tmp = (a * a) / 0.3333333333333333;
	}
	return tmp;
}

Python

def code(a, rand):
	tmp = 0
	if rand <= 3.1e+152:
		tmp = a - 0.3333333333333333
	else:
		tmp = (a * a) / 0.3333333333333333
	return tmp

Julia

function code(a, rand)
	tmp = 0.0
	if (rand <= 3.1e+152)
		tmp = Float64(a - 0.3333333333333333);
	else
		tmp = Float64(Float64(a * a) / 0.3333333333333333);
	end
	return tmp
end

MATLAB

function tmp_2 = code(a, rand)
	tmp = 0.0;
	if (rand <= 3.1e+152)
		tmp = a - 0.3333333333333333;
	else
		tmp = (a * a) / 0.3333333333333333;
	end
	tmp_2 = tmp;
end

Wolfram

code[a_, rand_] := If[LessEqual[rand, 3.1e+152], N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision], N[(N[(a * a), $MachinePrecision] / 0.3333333333333333), $MachinePrecision]]

Derivation

1. Split input into 2 regimes

2. if rand < 3.1e152

   1. Initial program 99.8%

      \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
   2. Add Preprocessing

   3. Taylor expanded in rand around 0

      \[\leadsto \color{blue}{a - \frac{1}{3}} \]
   4. Step-by-step derivation

      1. lower--.f64 68.6

         \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]

   5. Applied rewrites 68.6%

      \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]

   if 3.1e152 < rand

   1. Initial program 99.5%

      \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
   2. Add Preprocessing

   3. Taylor expanded in rand around 0

      \[\leadsto \color{blue}{a - \frac{1}{3}} \]
   4. Step-by-step derivation

      1. lower--.f64 5.6

         \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]

   5. Applied rewrites 5.6%

      \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]
   6. Step-by-step derivation

   7. Applied rewrites 42.7%

      \[\leadsto \frac{\mathsf{fma}\left(a, a, -0.1111111111111111\right)}{\color{blue}{a - -0.3333333333333333}} \]

   8. Taylor expanded in a around 0

      \[\leadsto \frac{\mathsf{fma}\left(a, a, \frac{-1}{9}\right)}{\frac{1}{3}} \]
   9. Step-by-step derivation

   10. Applied rewrites 43.8%

       \[\leadsto \frac{\mathsf{fma}\left(a, a, -0.1111111111111111\right)}{0.3333333333333333} \]

   11. Taylor expanded in a around inf

       \[\leadsto \frac{{a}^{2}}{\frac{1}{3}} \]
   12. Step-by-step derivation

   13. Applied rewrites 43.8%

       \[\leadsto \frac{a \cdot a}{0.3333333333333333} \]
3. Recombined 2 regimes into one program.
4. Add Preprocessing

Alternative 11: 63.4% accurate, 17.0× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ a - 0.3333333333333333 \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand) :precision binary64 (- a 0.3333333333333333))

C

double code(double a, double rand) {
	return a - 0.3333333333333333;
}

Fortran

real(8) function code(a, rand)
    real(8), intent (in) :: a
    real(8), intent (in) :: rand
    code = a - 0.3333333333333333d0
end function

Java

public static double code(double a, double rand) {
	return a - 0.3333333333333333;
}

Python

def code(a, rand):
	return a - 0.3333333333333333

Julia

function code(a, rand)
	return Float64(a - 0.3333333333333333)
end

MATLAB

function tmp = code(a, rand)
	tmp = a - 0.3333333333333333;
end

Wolfram

code[a_, rand_] := N[(a - 0.3333333333333333), $MachinePrecision]

Derivation

1. Initial program 99.8%

   \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
2. Add Preprocessing

3. Taylor expanded in rand around 0

   \[\leadsto \color{blue}{a - \frac{1}{3}} \]
4. Step-by-step derivation

   1. lower--.f64 63.7

      \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]

5. Applied rewrites 63.7%

   \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]
6. Add Preprocessing

Alternative 12: 1.5% accurate, 68.0× speedup

Math

\[\begin{array}{l} \\ -0.3333333333333333 \end{array} \]

FPCore

(FPCore (a rand) :precision binary64 -0.3333333333333333)

C

double code(double a, double rand) {
	return -0.3333333333333333;
}

Fortran

real(8) function code(a, rand)
    real(8), intent (in) :: a
    real(8), intent (in) :: rand
    code = -0.3333333333333333d0
end function

Java

public static double code(double a, double rand) {
	return -0.3333333333333333;
}

Python

def code(a, rand):
	return -0.3333333333333333

Julia

function code(a, rand)
	return -0.3333333333333333
end

MATLAB

function tmp = code(a, rand)
	tmp = -0.3333333333333333;
end

Wolfram

code[a_, rand_] := -0.3333333333333333

Derivation

1. Initial program 99.8%

   \[\left(a - \frac{1}{3}\right) \cdot \left(1 + \frac{1}{\sqrt{9 \cdot \left(a - \frac{1}{3}\right)}} \cdot rand\right) \]
2. Add Preprocessing

3. Taylor expanded in rand around 0

   \[\leadsto \color{blue}{a - \frac{1}{3}} \]
4. Step-by-step derivation

   1. lower--.f64 63.7

      \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]

5. Applied rewrites 63.7%

   \[\leadsto \color{blue}{a - 0.3333333333333333} \]

6. Taylor expanded in a around 0

   \[\leadsto \frac{-1}{3} \]
7. Step-by-step derivation

8. Applied rewrites 1.6%

   \[\leadsto -0.3333333333333333 \]
9. Add Preprocessing

Reproduce

herbie shell --seed 2024318 
(FPCore (a rand)
  :name "Octave 3.8, oct_fill_randg"
  :precision binary64
  (* (- a (/ 1.0 3.0)) (+ 1.0 (* (/ 1.0 (sqrt (* 9.0 (- a (/ 1.0 3.0))))) rand))))