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core_math_rs/f16/
cos.rs

1/* Correctly-rounded cosine for binary16 value.
2
3Copyright (c) 2025 Maxence Ponsardin and Paul Zimmermann
4
5This file is ported from the CORE-MATH project
6(https://core-math.gitlabpages.inria.fr/).
7
8Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
9of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
10in the Software without restriction, including without limitation the rights
11to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
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13furnished to do so, subject to the following conditions:
14
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16copies or substantial portions of the Software.
17
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19IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
20FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
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22LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
23OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE
24SOFTWARE.
25*/
26
27use hexf::hexf32 as h;
28
29const S1: [f32; 2048] = [
30    h!("0x0p+0"),
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4057    h!("-0x1.01f314p-2"),
4058    h!("0x1.64a9c6p-3"),
4059    h!("-0x1.865642p-4"),
4060    h!("0x1.038082p-6"),
4061    h!("0x1.04ff3p-4"),
4062    h!("-0x1.249bacp-3"),
4063    h!("0x1.c4dd5ap-3"),
4064    h!("-0x1.312066p-2"),
4065    h!("0x1.7de36ap-2"),
4066    h!("0x1.07d7bap-1"),
4067    h!("0x1.4a116p-1"),
4068    h!("0x1.83f1dap-1"),
4069    h!("0x1.b40268p-1"),
4070    h!("0x1.d90bd2p-1"),
4071    h!("0x1.f21e4ap-1"),
4072    h!("0x1.fe9778p-1"),
4073    h!("0x1.fe2698p-1"),
4074    h!("0x1.f0ce84p-1"),
4075    h!("0x1.d6e5a4p-1"),
4076    h!("0x1.b113bcp-1"),
4077    h!("0x1.804daep-1"),
4078    h!("0x1.45cf48p-1"),
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4080    h!("0x1.73938cp-2"),
4081    h!("0x1.af3536p-3"),
4082    h!("0x1.b16d1ep-5"),
4083    h!("-0x1.b27882p-4"),
4084    h!("-0x1.0caa9ap-2"),
4085    h!("-0x1.a5eb78p-2"),
4086    h!("-0x1.1a4038p-1"),
4087    h!("-0x1.5a6724p-1"),
4088    h!("-0x1.91cb2p-1"),
4089    h!("-0x1.bf0584p-1"),
4090    h!("-0x1.e0f176p-1"),
4091    h!("-0x1.f6b354p-1"),
4092    h!("-0x1.ffbe3cp-1"),
4093    h!("-0x1.fbd7a2p-1"),
4094    h!("-0x1.eb18c8p-1"),
4095    h!("-0x1.cdee1ap-1"),
4096    h!("-0x1.a51472p-1"),
4097    f32::from_bits(0x7fc00000),
4098    f32::from_bits(0x7f800001),
4099    f32::from_bits(0x7f800001),
4100    f32::from_bits(0x7f800001),
4101    f32::from_bits(0x7f800001),
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4120    f32::from_bits(0x7fc00000),
4121    f32::from_bits(0x7fc00000),
4122    f32::from_bits(0x7fc00000),
4123    f32::from_bits(0x7fc00000),
4124    f32::from_bits(0x7fc00000),
4125    f32::from_bits(0x7fc00000),
4126    f32::from_bits(0x7fc00000),
4127    f32::from_bits(0x7fc00000),
4128    f32::from_bits(0x7fc00000),
4129];
4130
4131/* For 0 <= i2 < 2^11, S2[i2] stores the binary32 approximation of -sin(x2)
4132to nearest, where x2 = (-1)^s*2^(e-25)*l, where i2 decomposes into
4133s*2^11+e*2^e+l, with 0 <= s <= 1, 0 <= e, l < 2^5 (with e-24 instead
4134of e-25 when e=0), such that any non-singular float16 number x decomposes
4135into x1 + x2, where x1 is defined along S1.
4136Table generated by table2sin() from cos.sage, where some values were
4137manually edited to decrease the number of exceptional values. */
4138const S2: [f32; 2048] = [
4139    h!("-0x0p+3"),
4140    h!("-0x1p-24"),
4141    h!("-0x1p-23"),
4142    h!("-0x1.8p-23"),
4143    h!("-0x1p-22"),
4144    h!("-0x1.4p-22"),
4145    h!("-0x1.8p-22"),
4146    h!("-0x1.cp-22"),
4147    h!("-0x1p-21"),
4148    h!("-0x1.2p-21"),
4149    h!("-0x1.4p-21"),
4150    h!("-0x1.6p-21"),
4151    h!("-0x1.8p-21"),
4152    h!("-0x1.ap-21"),
4153    h!("-0x1.cp-21"),
4154    h!("-0x1.ep-21"),
4155    h!("-0x1p-20"),
4156    h!("-0x1.1p-20"),
4157    h!("-0x1.2p-20"),
4158    h!("-0x1.3p-20"),
4159    h!("-0x1.4p-20"),
4160    h!("-0x1.5p-20"),
4161    h!("-0x1.6p-20"),
4162    h!("-0x1.7p-20"),
4163    h!("-0x1.8p-20"),
4164    h!("-0x1.9p-20"),
4165    h!("-0x1.ap-20"),
4166    h!("-0x1.bp-20"),
4167    h!("-0x1.cp-20"),
4168    h!("-0x1.dp-20"),
4169    h!("-0x1.ep-20"),
4170    h!("-0x1.fp-20"),
4171    h!("-0x0p+3"),
4172    h!("-0x1p-24"),
4173    h!("-0x1p-23"),
4174    h!("-0x1.8p-23"),
4175    h!("-0x1p-22"),
4176    h!("-0x1.4p-22"),
4177    h!("-0x1.8p-22"),
4178    h!("-0x1.cp-22"),
4179    h!("-0x1p-21"),
4180    h!("-0x1.2p-21"),
4181    h!("-0x1.4p-21"),
4182    h!("-0x1.6p-21"),
4183    h!("-0x1.8p-21"),
4184    h!("-0x1.ap-21"),
4185    h!("-0x1.cp-21"),
4186    h!("-0x1.ep-21"),
4187    h!("-0x1p-20"),
4188    h!("-0x1.1p-20"),
4189    h!("-0x1.2p-20"),
4190    h!("-0x1.3p-20"),
4191    h!("-0x1.4p-20"),
4192    h!("-0x1.5p-20"),
4193    h!("-0x1.6p-20"),
4194    h!("-0x1.7p-20"),
4195    h!("-0x1.8p-20"),
4196    h!("-0x1.9p-20"),
4197    h!("-0x1.ap-20"),
4198    h!("-0x1.bp-20"),
4199    h!("-0x1.cp-20"),
4200    h!("-0x1.dp-20"),
4201    h!("-0x1.ep-20"),
4202    h!("-0x1.fp-20"),
4203    h!("-0x0p+3"),
4204    h!("-0x1p-23"),
4205    h!("-0x1p-22"),
4206    h!("-0x1.8p-22"),
4207    h!("-0x1p-21"),
4208    h!("-0x1.4p-21"),
4209    h!("-0x1.8p-21"),
4210    h!("-0x1.cp-21"),
4211    h!("-0x1p-20"),
4212    h!("-0x1.2p-20"),
4213    h!("-0x1.4p-20"),
4214    h!("-0x1.6p-20"),
4215    h!("-0x1.8p-20"),
4216    h!("-0x1.ap-20"),
4217    h!("-0x1.cp-20"),
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4221    h!("-0x1.2p-19"),
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4223    h!("-0x1.4p-19"),
4224    h!("-0x1.5p-19"),
4225    h!("-0x1.6p-19"),
4226    h!("-0x1.7p-19"),
4227    h!("-0x1.8p-19"),
4228    h!("-0x1.9p-19"),
4229    h!("-0x1.ap-19"),
4230    h!("-0x1.bp-19"),
4231    h!("-0x1.cp-19"),
4232    h!("-0x1.dp-19"),
4233    h!("-0x1.ep-19"),
4234    h!("-0x1.fp-19"),
4235    h!("-0x0p+3"),
4236    h!("-0x1p-22"),
4237    h!("-0x1p-21"),
4238    h!("-0x1.8p-21"),
4239    h!("-0x1p-20"),
4240    h!("-0x1.4p-20"),
4241    h!("-0x1.8p-20"),
4242    h!("-0x1.cp-20"),
4243    h!("-0x1p-19"),
4244    h!("-0x1.2p-19"),
4245    h!("-0x1.4p-19"),
4246    h!("-0x1.6p-19"),
4247    h!("-0x1.8p-19"),
4248    h!("-0x1.ap-19"),
4249    h!("-0x1.cp-19"),
4250    h!("-0x1.ep-19"),
4251    h!("-0x1p-18"),
4252    h!("-0x1.1p-18"),
4253    h!("-0x1.2p-18"),
4254    h!("-0x1.3p-18"),
4255    h!("-0x1.4p-18"),
4256    h!("-0x1.5p-18"),
4257    h!("-0x1.6p-18"),
4258    h!("-0x1.7p-18"),
4259    h!("-0x1.8p-18"),
4260    h!("-0x1.9p-18"),
4261    h!("-0x1.ap-18"),
4262    h!("-0x1.bp-18"),
4263    h!("-0x1.cp-18"),
4264    h!("-0x1.dp-18"),
4265    h!("-0x1.ep-18"),
4266    h!("-0x1.fp-18"),
4267    h!("-0x0p+3"),
4268    h!("-0x1p-21"),
4269    h!("-0x1p-20"),
4270    h!("-0x1.8p-20"),
4271    h!("-0x1p-19"),
4272    h!("-0x1.4p-19"),
4273    h!("-0x1.8p-19"),
4274    h!("-0x1.cp-19"),
4275    h!("-0x1p-18"),
4276    h!("-0x1.2p-18"),
4277    h!("-0x1.4p-18"),
4278    h!("-0x1.6p-18"),
4279    h!("-0x1.8p-18"),
4280    h!("-0x1.ap-18"),
4281    h!("-0x1.cp-18"),
4282    h!("-0x1.ep-18"),
4283    h!("-0x1p-17"),
4284    h!("-0x1.1p-17"),
4285    h!("-0x1.2p-17"),
4286    h!("-0x1.3p-17"),
4287    h!("-0x1.4p-17"),
4288    h!("-0x1.5p-17"),
4289    h!("-0x1.6p-17"),
4290    h!("-0x1.7p-17"),
4291    h!("-0x1.8p-17"),
4292    h!("-0x1.9p-17"),
4293    h!("-0x1.ap-17"),
4294    h!("-0x1.bp-17"),
4295    h!("-0x1.cp-17"),
4296    h!("-0x1.dp-17"),
4297    h!("-0x1.ep-17"),
4298    h!("-0x1.fp-17"),
4299    h!("-0x0p+3"),
4300    h!("-0x1p-20"),
4301    h!("-0x1p-19"),
4302    h!("-0x1.8p-19"),
4303    h!("-0x1p-18"),
4304    h!("-0x1.4p-18"),
4305    h!("-0x1.8p-18"),
4306    h!("-0x1.cp-18"),
4307    h!("-0x1p-17"),
4308    h!("-0x1.2p-17"),
4309    h!("-0x1.4p-17"),
4310    h!("-0x1.6p-17"),
4311    h!("-0x1.8p-17"),
4312    h!("-0x1.ap-17"),
4313    h!("-0x1.cp-17"),
4314    h!("-0x1.ep-17"),
4315    h!("-0x1p-16"),
4316    h!("-0x1.1p-16"),
4317    h!("-0x1.2p-16"),
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4321    h!("-0x1.6p-16"),
4322    h!("-0x1.7p-16"),
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4328    h!("-0x1.dp-16"),
4329    h!("-0x1.ep-16"),
4330    h!("-0x1.fp-16"),
4331    h!("-0x0p+3"),
4332    h!("-0x1p-19"),
4333    h!("-0x1p-18"),
4334    h!("-0x1.8p-18"),
4335    h!("-0x1p-17"),
4336    h!("-0x1.4p-17"),
4337    h!("-0x1.8p-17"),
4338    h!("-0x1.cp-17"),
4339    h!("-0x1p-16"),
4340    h!("-0x1.2p-16"),
4341    h!("-0x1.4p-16"),
4342    h!("-0x1.6p-16"),
4343    h!("-0x1.8p-16"),
4344    h!("-0x1.ap-16"),
4345    h!("-0x1.cp-16"),
4346    h!("-0x1.ep-16"),
4347    h!("-0x1p-15"),
4348    h!("-0x1.1p-15"),
4349    h!("-0x1.2p-15"),
4350    h!("-0x1.3p-15"),
4351    h!("-0x1.4p-15"),
4352    h!("-0x1.5p-15"),
4353    h!("-0x1.6p-15"),
4354    h!("-0x1.7p-15"),
4355    h!("-0x1.8p-15"),
4356    h!("-0x1.9p-15"),
4357    h!("-0x1.ap-15"),
4358    h!("-0x1.bp-15"),
4359    h!("-0x1.cp-15"),
4360    h!("-0x1.dp-15"),
4361    h!("-0x1.ep-15"),
4362    h!("-0x1.fp-15"),
4363    h!("-0x0p+3"),
4364    h!("-0x1p-18"),
4365    h!("-0x1p-17"),
4366    h!("-0x1.8p-17"),
4367    h!("-0x1p-16"),
4368    h!("-0x1.4p-16"),
4369    h!("-0x1.8p-16"),
4370    h!("-0x1.cp-16"),
4371    h!("-0x1p-15"),
4372    h!("-0x1.2p-15"),
4373    h!("-0x1.4p-15"),
4374    h!("-0x1.6p-15"),
4375    h!("-0x1.8p-15"),
4376    h!("-0x1.ap-15"),
4377    h!("-0x1.cp-15"),
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4379    h!("-0x1p-14"),
4380    h!("-0x1.1p-14"),
4381    h!("-0x1.2p-14"),
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4389    h!("-0x1.ap-14"),
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8220    f32::from_bits(0x0),
8221    f32::from_bits(0x0),
8222    f32::from_bits(0x0),
8223    f32::from_bits(0x0),
8224    f32::from_bits(0x0),
8225    f32::from_bits(0x0),
8226    f32::from_bits(0x0),
8227    f32::from_bits(0x0),
8228    f32::from_bits(0x0),
8229    f32::from_bits(0x0),
8230    f32::from_bits(0x0),
8231    f32::from_bits(0x0),
8232    f32::from_bits(0x0),
8233    f32::from_bits(0x0),
8234    f32::from_bits(0x0),
8235    f32::from_bits(0x0),
8236    f32::from_bits(0x0),
8237    f32::from_bits(0x0),
8238];
8239
8240pub fn cr_cosf16(x: f16) -> f16 {
8241    let v = x;
8242    /* We decompose x into x1 + x2, and use
8243    cos(x1+x2) = cos(x1)*cos(x2) - sin(x1)*sin(x2), where binary32
8244    approximations of sin(x1), cos(x1), sin(x2) and cos(x2) are tabulated. */
8245    let u = v.to_bits();
8246    let m = u & 0x7fff;
8247    let i1 = u >> 5;
8248    let i2 = ((u >> 10) << 5) | (u & 0x1f);
8249    // we use a FMA to fix the evaluation order
8250    if m == 0 {
8251        return 1.0; // only exceptional case
8252    }
8253    let res = f32::mul_add(
8254        C1[usize::from(i1)],
8255        C2[usize::from(i2)],
8256        S1[usize::from(i1)] * S2[usize::from(i2)],
8257    );
8258    res as f16
8259}
8260
8261#[cfg(test)]
8262mod tests {
8263    #[test]
8264    fn exhaustive() {
8265        for b in 0..=u16::MAX {
8266            let x = f16::from_bits(b);
8267            let y1 = super::cr_cosf16(x);
8268            let y2 = core_math::cosf16(x);
8269            assert_eq!(
8270                y1.to_bits(),
8271                y2.to_bits(),
8272                "cosf16({x} @ {b:#04x}) = ({y1} @ {y1b:#04x}) vs ({y2} @ {y2b:#04x})",
8273                y1b = y1.to_bits(),
8274                y2b = y2.to_bits()
8275            );
8276        }
8277    }
8278
8279    #[test]
8280    fn edge() {
8281        assert_eq!(super::cr_cosf16(-f16::NAN).to_bits(), (f16::NAN).to_bits());
8282        assert_eq!(
8283            super::cr_cosf16(-f16::INFINITY).to_bits(),
8284            (f16::NAN).to_bits()
8285        );
8286        assert_eq!(super::cr_cosf16(-std::f16::consts::PI), -1.0);
8287        assert_eq!(super::cr_cosf16(-0.0), 1.0);
8288        assert_eq!(super::cr_cosf16(0.0), 1.0);
8289        assert_eq!(super::cr_cosf16(std::f16::consts::PI), -1.0);
8290        assert_eq!(
8291            super::cr_cosf16(f16::INFINITY).to_bits(),
8292            (f16::NAN).to_bits()
8293        );
8294        assert_eq!(super::cr_cosf16(f16::NAN).to_bits(), (f16::NAN).to_bits());
8295    }
8296}