Digits of pin-th (improved time complexity)

I’ve optimized some of the source code for someone to find the nth digit of the pie, but the problem is that n is possible up to a million, and this operation has to be completed in 1 second. I’ve already optimized it, but it’s still not enough. Maybe the use of the BBP algorithm is wrong. How do I optimize the code to make the overall time complexity O(nlogn)?

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <omp.h>
#include <time.h>

typedef int64_t ModInt;
ModInt _m;
double _invm;

void InitializeModulo(ModInt m)
{
    _m=m;
    _invm=1./(double)m;
}

inline ModInt MulMod(ModInt a, ModInt b)
{
  
    ModInt q = (ModInt) (_invm*(double)a*(double)b);
    return a*b-q*_m; 
}

inline ModInt SumMulMod(ModInt a, ModInt b, ModInt c, ModInt d) 
{
    ModInt q = (ModInt) (_invm*((double)a*(double)b+(double)c*(double)d));
  return a*b+c*d-q*_m;
}

double MyTime()
{
  return ((double) clock())/ CLOCKS_PER_SEC;
}

double FullDouble = 1024.*1024.*1024.*1024.*1024.*8.; // 2^53

inline double easyround(double x)
{
    double y = x+FullDouble;
    y -= FullDouble;
    return y;
}

ModInt ExtendedGcd(ModInt a, ModInt &A)
{
  ModInt A0=1, A1=0;
    ModInt r0=a, r1=_m;

  while (r1>0.) {
    ModInt q = r0/r1;
    
    ModInt tmp=A0-q*A1;
    A0=A1;
    A1=tmp;

    tmp=r0-q*r1;
    r0=r1;
    r1=tmp;
  }
  A=A0;
  return r0;
}


ModInt InvMod(ModInt a)
{
  ModInt A;
    a=a%_m;
    if (a<0)
        a+=_m;
  ModInt gcd = ExtendedGcd(a,A);
  if (gcd!=1)
    printf("pb, gcd should be 1n");
  return A;
}

ModInt PowMod(ModInt a, long b)
{
    ModInt r,aa;

  r=1;
  aa=a;
  while (1) {
    if (b&1) 
      r=MulMod(r,aa);
    b>>=1;
    if (b == 0) break;
    aa=MulMod(aa,aa);
  }
  return r;
}


ModInt SumBinomialMod(long n, long k)
{
  
  if (k>n/2) {
    ModInt s = PowMod(2,n)-SumBinomialMod(n,n-k-1);
    if (s<0)
      s+=_m;
    return s;
  }
  
  const long NbMaxFactors=20; // no more than 20 different prime factors for numbers <2^64
    long PrimeFactor[NbMaxFactors];
    long NbPrimeFactors=0;
    ModInt mm=_m;
  // _m is odd, thus has only odd prime factors 
    for (ModInt p=3; p*p<=mm; p+=2) {
        if (mm%p==0) {
      mm=mm/p;
            if (p<=k) // only prime factors <=k are needed
        PrimeFactor[NbPrimeFactors++]=p;
      while (mm%p==0) mm=mm/p; // remove all powers of p in mm
        }
    }
  // last factor : if mm is not 1, mm is necessarily prime
    if (mm>1  && mm<=k) {
            PrimeFactor[NbPrimeFactors++]=mm;
    }

  // BinomialExponent[i] will contain the power of PrimeFactor[i] in binomial 
    long BinomialPower[NbMaxFactors]; 
  // NextDenom[i] and NextNum[i] will contain next multiples of PrimeFactor[i]
    long NextDenom[NbMaxFactors], NextNum[NbMaxFactors];
  for (long i=0; i<NbPrimeFactors; i++) {
        BinomialPower[i]=1;
    NextDenom[i] = PrimeFactor[i];
    NextNum[i] = PrimeFactor[i]*(n/PrimeFactor[i]);
  }

  ModInt BinomialNum0=1, BinomialDenom=1;
  ModInt SumNum=1;
  ModInt BinomialSecondary=1;

    for (long j=1; j<=k; j++) {
    // new binomial : b(n,j) = b(n,j-1) * (n-j+1) / j
    ModInt num = n-j+1;
    ModInt denom = j;
    int BinomialSecondaryUpdate=0;

        for (long i=0; i<NbPrimeFactors; i++) {
            long p = PrimeFactor[i];
      // Test if p is a prime factor of num0
      if (NextNum[i]==n-j+1) {
        BinomialSecondaryUpdate=1;
        NextNum[i] -= p;
        BinomialPower[i] *= p;
              num /= p;
              while (num%p==0) {
                  BinomialPower[i] *= p;
          num /= p;
        }
            }
      // Test if p is a prime factor of denom0
            if (NextDenom[i]==j) {
        BinomialSecondaryUpdate=1;
        NextDenom[i] += p;
        BinomialPower[i] /= p;
              denom /= p;
              while (denom%p==0) {
                  BinomialPower[i] /= p;
          denom /= p;
        }
            }
        }

    if (BinomialSecondaryUpdate) {
      BinomialSecondary = BinomialPower[0];
      for (long i=1; i<NbPrimeFactors; i++)
        BinomialSecondary = MulMod(BinomialSecondary,BinomialPower[i]);
    }

        BinomialNum0   = MulMod(BinomialNum0, num);
        BinomialDenom = MulMod(BinomialDenom,denom);

    if (BinomialSecondary!=1) {
      SumNum = SumMulMod(SumNum,denom,BinomialNum0, BinomialSecondary);
    }
    else {
      SumNum = MulMod(SumNum,denom)+BinomialNum0;
    }
  }
  SumNum = MulMod(SumNum,InvMod(BinomialDenom));
    return SumNum;
}

double DigitsOfFraction(long n, ModInt a, ModInt b)
{
    InitializeModulo(b);
  ModInt pow = PowMod(10,n);
  ModInt c = MulMod(pow,a);
  return (double) c/(double) b;
}

/* return fractionnal part of 10^n*S, where S=4*sum_{k=0}^{m-1} (-1)^k/(2*k+1). m is even */
double DigitsOfSeries(long n, ModInt m)
{
  double x = 0.;
    #pragma omp parallel for reduction(-:x) // 병렬 처리 적용
    for (ModInt k = 0; k < m; k += 2) {
        x -= DigitsOfFraction(n, 4, 2 * k + 3);
        x += DigitsOfFraction(n, 4, 2 * k + 1);
        x = x - easyround(x); 
    }
    return x;
}

double DigitsOfPi(long n) {
  double logn = log((double)n);
    long M=2*(long) (3.*n/logn/logn/logn); // M is even
  long N=1+(long)((n+15.)*log(10.)/(1.+log(2.*M))); // n >= N
    N += N%2; // N should be even 
  ModInt mmax = (ModInt) M *(ModInt) N + (ModInt) N;
    double st = MyTime();
  double x=DigitsOfSeries(n,mmax);
  for (long k=0.; k<N; k++) {
    ModInt m = (ModInt)2*(ModInt)M*(ModInt)N+(ModInt)2*(ModInt)k+1;
    InitializeModulo(m);
    ModInt s = SumBinomialMod(N,k);
    s = MulMod(s,PowMod(5,N));
    s = MulMod(s,PowMod(10,n-N)); // n-N is always positive
    s = MulMod(s,4);
    x += (2*(k%2)-1)*(double)s/(double) m; // 2*(k%2)-1 = (-1)^(k-1)
    x = x -floor(x);
  }
  return x;
}

int main()
{
    long n; 
  scanf("%ld",&n); n-=9;
  if (n<50) {
    printf("Error, n should be bigger than 60. Please retryn");
    exit(1);
  }
  double st=MyTime();
  double x = DigitsOfPi(n);
  int digitAtN = (int)(x * 1e9) % 10;
  
  printf("Digits of pi n-th decimal digit : %.dn",digitAtN);
  printf("Total time: %.2lfn",MyTime()-st);
  
  return 0;
}


Even with this optimization of the code, it’s much more inefficient than the time complexity required by the problem. Is there a solution to this? Am I using BBP incorrectly?

New contributor

ディアブロ is a new contributor to this site. Take care in asking for clarification, commenting, and answering.
Check out our Code of Conduct.

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật