В цикле выполняются какие-то операции и формируется массив a с элементами long double, который каждую итерацию цикла должен добавляться к концу массива res.

Делается это так.
res.insert(res.end(), a.begin(), a.end()); (исправлено)

При ближайшем рассмотрении оказалось, что это самая затратная по времени операция в цикле из всех.
Можно ли как-нибудь оптимизировать данный процесс штатными средствами STL или каким-либо еще. Сортировка массивов res, a не допустима.