73ebb5196ee280934652add9f9a29cb692204640
[lambda.git] / assignment5.mdwn
1 Assignment 5
2
3 Types and OCaml
4 ---------------
5
6 0.      Recall that the S combinator is given by \x y z. x z (y z).
7         Give two different typings for this function in OCaml.
8         To get you started, here's one typing for K:
9
10                 # let k (y:'a) (n:'b) = y;;
11                 val k : 'a -> 'b -> 'a = [fun]
12                 # k 1 true;;
13                 - : int = 1
14
15
16 1.      Which of the following expressions is well-typed in OCaml? For those that are, give the type of the expression as a whole. For those that are not, why not?
17
18                 let rec f x = f x;;
19
20                 let rec f x = f f;;
21
22                 let rec f x = f x in f f;;
23
24                 let rec f x = f x in f ();;
25
26                 let rec f () = f f;;
27
28                 let rec f () = f ();;
29
30                 let rec f () = f () in f f;;
31
32                 let rec f () = f () in f ();;
33
34 2.      Throughout this problem, assume that we have
35
36                 let rec blackhole x = blackhole x;;
37
38         All of the following are well-typed.
39         Which ones terminate?  What are the generalizations?
40
41                 blackhole;;
42
43                 blackhole ();;
44
45                 fun () -> blackhole ();;
46
47                 (fun () -> blackhole ()) ();;
48
49                 if true then blackhole else blackhole;;
50
51                 if false then blackhole else blackhole;;
52
53                 if true then blackhole else blackhole ();;
54
55                 if false then blackhole else blackhole ();;
56
57                 if true then blackhole () else blackhole;;
58
59                 if false then blackhole () else blackhole;;
60
61                 if true then blackhole () else blackhole ();;
62
63                 if false then blackhole () else blackhole ();;
64
65                 let _ = blackhole in 2;;
66
67                 let _ = blackhole () in 2;;
68
69 3.      This problem is to begin thinking about controlling order of evaluation.
70 The following expression is an attempt to make explicit the
71 behavior of `if`-`then`-`else` explored in the previous question.
72 The idea is to define an `if`-`then`-`else` expression using
73 other expression types.  So assume that "yes" is any OCaml expression,
74 and "no" is any other OCaml expression (of the same type as "yes"!),
75 and that "bool" is any boolean.  Then we can try the following:
76 "if bool then yes else no" should be equivalent to
77
78                 let b = bool in
79                 let y = yes in
80                 let n = no in
81                 match b with true -> y | false -> n
82
83         This almost works.  For instance,
84
85                 if true then 1 else 2;;
86
87         evaluates to 1, and
88
89                 let b = true in let y = 1 in let n = 2 in
90                 match b with true -> y | false -> n;;
91
92         also evaluates to 1.  Likewise,
93
94                 if false then 1 else 2;;
95
96         and
97
98                 let b = false in let y = 1 in let n = 2 in
99                 match b with true -> y | false -> n;;
100
101         both evaluate to 2.
102
103         However,
104
105                 let rec blackhole x = blackhole x in
106                 if true then blackhole else blackhole ();;
107
108         terminates, but
109
110                 let rec blackhole x = blackhole x in
111                 let b = true in
112                 let y = blackhole in
113                 let n = blackhole () in
114                 match b with true -> y | false -> n;;
115
116         does not terminate.  Incidentally, `match bool with true -> yes |
117         false -> no;;` works as desired, but your assignment is to solve it
118         without using the magical evaluation order properties of either `if`
119         or of `match`.  That is, you must keep the `let` statements, though
120         you're allowed to adjust what `b`, `y`, and `n` get assigned to.
121
122         [[Hint assignment 5 problem 3]]
123
124 Booleans, Church numerals, and v3 lists in OCaml
125 ------------------------------------------------
126
127 (These questions adapted from web materials by Umut Acar. See <http://www.mpi-sws.org/~umut/>.)
128
129 Let's think about the encodings of booleans, numerals and lists in System F, and get datastructures with the same explicit form working in OCaml. (The point... so we won't rely on OCaml's native booleans, integers, or lists.)
130
131 Recall from class System F, or the polymorphic λ-calculus.
132
133         types τ ::= c | 'a | τ1 → τ2 | ∀'a. τ
134         expressions e ::= x | λx:τ. e | e1 e2 | Λ'a. e | e [τ]
135
136 The boolean type, and its two values, may be encoded as follows:
137
138         bool := ∀'a. 'a → 'a → 'a
139         true := Λ'a. λt:'a. λf :'a. t
140         false := Λ'a. λt:'a. λf :'a. f
141
142 It's used like this:
143
144         b [τ] e1 e2
145
146 where b is a boolean value, and τ is the shared type of e1 and e2.
147
148 **Exercise**. How should we implement the following terms. Note that the result of applying them to the appropriate arguments should also give us a term of type bool.
149
150 (a) the term not that takes an argument of type bool and computes its negation;
151 (b) the term and that takes two arguments of type bool and computes their conjunction;
152 (c) the term or that takes two arguments of type bool and computes their disjunction.
153
154
155 The type nat (for "natural number") may be encoded as follows:
156
157         nat := ∀'a. 'a → ('a → 'a) → 'a
158         zero := Λ'a. λz:'a. λs:'a → 'a. z
159         succ := λn:nat. Λ'a. λz:'a. λs:'a → 'a. s (n ['a] z s)
160
161 A nat n is defined by what it can do, which is to compute a function iterated n
162 times. In the polymorphic encoding above, the result of that iteration can be
163 any type 'a, as long as you have a base element z : 'a and a function s : 'a → 'a.
164
165 **Excercise**: get booleans and Church numbers working in OCaml,
166 including OCaml versions of bool, true, false, zero, iszero, succ, and **pred**.
167
168 Consider the following list type:
169
170         type 'a list = Nil | Cons of 'a * 'a list
171
172 We can encode τ lists, lists of elements of type τ as follows:
173
174         τ list := ∀'a. 'a → (τ → 'a → 'a) → 'a
175         nil τ := Λ'a. λn:'a. λc:τ → 'a → 'a. n
176         make_list τ := λh:τ. λt:τ list. Λ'a. λn:'a. λc:τ → 'a → 'a. c h (t ['a] n c)
177
178 As with nats, recursion is built into the datatype.
179
180 We can write functions like map:
181
182         map : (σ → τ ) → σ list → τ list
183                 = λf :σ → τ. λl:σ list. l [τ list] nilτ (λx:σ. λy:τ list. consτ (f x) y
184
185 **Excercise** convert this function to OCaml.  Also write an `append` function.
186 Also write a **head** function. Also write nil??? Test with simple lists.
187
188
189 Consider the following simple binary tree type:
190
191         type 'a tree = Leaf | Node of 'a tree * 'a * 'a tree
192
193 **Excercise**
194 Write a function `sum_leaves` that computes the sum of all the
195 leaves in an int tree.
196
197 Write a function `in_order` : τ tree → τ list that computes the in-order traversal of a binary tree. You
198 may assume the above encoding of lists; define any auxiliary functions you need.
199
200 Baby monads
201 -----------
202
203 Read the lecture notes for week 6, then write a
204 function `lift'` that generalized the correspondence between + and
205 `add'`: that is, `lift'` takes any two-place operation on integers
206 and returns a version that takes arguments of type `int option`
207 instead, returning a result of `int option`.  In other words,
208 `lift'` will have type
209
210         (int -> int -> int) -> (int option) -> (int option) -> (int option)
211
212 so that `lift' (+) (Some 3) (Some 4)` will evalute to `Some 7`.  
213 Don't worry about why you need to put `+` inside of parentheses.
214 You should make use of `bind'` in your definition of `lift'`:
215
216         let bind' (x: int option) (f: int -> (int option)) =
217                 match x with None -> None | Some n -> f n;;
218
219