bd89880e4831eb79a5bfbfb9a9e9b6013f7b6588
[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?  
17    For those that are, give the type of the expression as a whole.
18    For those that are not, why not?
19
20     let rec f x = f x;;
21
22     let rec f x = f f;;
23
24     let rec f x = f x in f f;;
25
26     let rec f x = f x in f ();;
27
28     let rec f () = f f;;
29
30     let rec f () = f ();;
31
32     let rec f () = f () in f f;;
33
34     let rec f () = f () in f ();;
35
36 2. Throughout this problem, assume that we have 
37
38     let rec omega x = omega x;;
39
40    All of the following are well-typed.
41    Which ones terminate?  What are the generalizations?
42
43     omega;;
44
45     omega ();;
46
47     fun () -> omega ();;
48
49     (fun () -> omega ()) ();;
50
51     if true then omega else omega;;
52
53     if false then omega else omega;;
54
55     if true then omega else omega ();;
56
57     if false then omega else omega ();;
58
59     if true then omega () else omega;;
60
61     if false then omega () else omega;;
62
63     if true then omega () else omega ();;
64
65     if false then omega () else omega ();;
66
67     let _ = omega in 2;;
68
69     let _ = omega () in 2;;
70
71 3. The following expression is an attempt to make explicit the
72 behavior of `if`-`then`-`else` explored in the previous question.
73 The idea is to define an `if`-`then`-`else` expression using 
74 other expression types.  So assume that "yes" is any OCAML expression,
75 and "no" is any other OCAML expression (of the same type as "yes"!),
76 and that "bool" is any boolean.  Then we can try the following:
77 "if bool then yes else no" should be equivalent to
78
79     let b = bool in
80     let y = yes in 
81     let n = no in 
82     match b with true -> y | false -> n
83
84 This almost works.  For instance, 
85
86     if true then 1 else 2;;
87
88 evaluates to 1, and 
89
90     let b = true in let y = 1 in let n = 2 in 
91     match b with true -> y | false -> n;;
92
93 also evaluates to 1.  Likewise,
94
95     if false then 1 else 2;;
96
97 and
98
99     let b = false in let y = 1 in let n = 2 in 
100     match b with true -> y | false -> n;;
101
102 both evaluate to 2.
103
104 However,
105
106     let rec omega x = omega x in 
107     if true then omega else omega ();;
108
109 terminates, but 
110
111     let rec omega x = omega x in 
112     let b = true in
113     let y = omega in 
114     let n = omega () in 
115     match b with true -> y | false -> n;;
116
117 does not terminate.  Incidentally, `match bool with true -> yes |
118 false -> no;;` works as desired, but your assignment is to solve it
119 without using the magical evaluation order properties of either `if`
120 or of `match`.  That is, you must keep the `let` statements, though
121 you're allowed to adjust what `b`, `y`, and `n` get assigned to.
122
123 [[Hint assignment 5 problem 3]]
124
125 Baby monads
126 -----------
127
128    Read the lecture notes for week 6, then write a
129    function `lift` that generalized the correspondence between + and
130    `add`: that is, `lift` takes any two-place operation on integers
131    and returns a version that takes arguments of type `int option`
132    instead, returning a result of `int option`.  In other words,
133    `lift` will have type
134
135      (int -> int -> int) -> (int option) -> (int option) -> (int option)
136
137    so that `lift (+) (Some 3) (Some 4)` will evalute to `Some 7`.  
138    Don't worry about why you need to put `+` inside of parentheses.
139    You should make use of `bind` in your definition of `lift`:
140
141     let bind (x: int option) (f: int -> (int option)) = 
142       match x with None -> None | Some n -> f n;;
143
144
145 Booleans, Church numbers, and Church lists in System F
146 ------------------------------------------------------
147
148 These questions adapted from web materials written by some smart dude named Acar.
149
150    Recall from class System F, or the polymorphic λ-calculus.
151
152     τ ::= α | τ1 → τ2 | ∀α. τ
153     e ::= x | λx:τ. e | e1 e2 | Λα. e | e [τ ]
154
155    Recall that bool may be encoded as follows:
156
157     bool := ∀α. α → α → α
158     true := Λα. λt:α. λf :α. t
159     false := Λα. λt:α. λf :α. f
160     ifτ e then e1 else e2 := e [τ ] e1 e2
161
162    (where τ indicates the type of e1 and e2)
163
164    Exercise 1. Show how to encode the following terms. Note that each of these terms, when applied to the
165    appropriate arguments, return a result of type bool.
166
167     (a) the term not that takes an argument of type bool and computes its negation;
168     (b) the term and that takes two arguments of type bool and computes their conjunction;
169     (c) the term or that takes two arguments of type bool and computes their disjunction.
170
171    The type nat (for "natural number") may be encoded as follows:
172
173     nat := ∀α. α → (α → α) → α
174     zero := Λα. λz:α. λs:α → α. z
175     succ := λn:nat. Λα. λz:α. λs:α → α. s (n [α] z s)
176
177    A nat n is defined by what it can do, which is to compute a function iterated n times. In the polymorphic
178    encoding above, the result of that iteration can be any type α, as long as you have a base element z : α and
179    a function s : α → α.
180
181    Exercise 2. Verify that these encodings (zero, succ , rec) typecheck in System F.
182    (Draw a type tree for each term.)
183
184    Consider the following list type:
185
186     datatype ’a list = Nil | Cons of ’a * ’a list
187
188    We can encode τ lists, lists of elements of type τ as follows:
189
190     τ list := ∀α. α → (τ → α → α) → α
191     nilτ := Λα. λn:α. λc:τ → α → α. n
192     consτ := λh:τ. λt:τ list. Λα. λn:α. λc:τ → α → α. c h (t [α] n c)
193
194    As with nats, The τ list type’s case analyzing elimination form is just application.
195
196    We can write functions like map:
197
198     map : (σ → τ ) → σ list → τ list
199       := λf :σ → τ. λl:σ list. l [τ list] nilτ (λx:σ. λy:τ list. consτ (f x) y
200
201    Exercise 3. Consider the following simple binary tree type:
202
203     datatype ’a tree = Leaf | Node of ’a tree * ’a * ’a tree
204
205    (a) Give a System F encoding of binary trees, including a definition of the type τ tree and definitions of
206    the constructors leaf : τ tree and node : τ tree → τ → τ tree → τ tree.
207
208    (b) Write a function height : τ tree → nat. You may assume the above encoding of nat as well as definitions
209    of the functions plus : nat → nat → nat and max : nat → nat → nat.
210
211    (c) Write a function in-order : τ tree → τ list that computes the in-order traversal of a binary tree. You
212    may assume the above encoding of lists; define any auxiliary functions you need.