fix index link
[lambda.git] / lambda_library.mdwn
1 Here are a bunch of pre-tested operations for the untyped lambda calculus. In some cases multiple versions are offered.
2
3 Some of these are drawn from:
4
5 *       [[!wikipedia Lambda calculus]]
6 *       [[!wikipedia Church encoding]]
7 *       Oleg's [Basic Lambda Calculus Terms](http://okmij.org/ftp/Computation/lambda-calc.html#basic)
8
9 and all sorts of other places. Others of them are our own handiwork.
10
11
12 **Spoilers!** Below you'll find implementations of map and filter for v3 lists, and several implementations of leq for Church numerals. Those were all requested in Assignment 2; so if you haven't done that yet, you should try to figure them out on your own. (You can find implementations of these all over the internet, if you look for them, so these are no great secret. In fact, we'll be delighted if you're interested enough in the problem to try to think through alternative implementations.)
13
14
15         ; booleans
16         let true = \y n. y  in ; aka K
17         let false = \y n. n  in ; aka K I
18         let and = \p q. p q false  in ; or
19         let and = \p q. p q p  in ; aka S C I
20         let or = \p q. p true q  in ; or
21         let or = \p q. p p q  in ; aka M
22         let not = \p. p false true  in ; or
23         let not = \p y n. p n y  in ; aka C
24         let xor = \p q. p (not q) q  in
25         let iff = \p q. not (xor p q)  in ; or
26         let iff = \p q. p q (not q)  in
27
28         ; pairs
29         let make_pair = \x y f. f x y  in
30         let get_fst = \x y. x  in ; aka true
31         let get_snd = \x y. y  in ; aka false
32
33         ; triples
34         let make_triple = \x y z f. f x y z  in
35
36
37         ; Church numerals: basic operations
38
39         let zero = \s z. z  in ; aka false
40         let one = \s z. s z  in ; aka I
41         let succ = \n s z. s (n s z)  in
42         ; for any Church numeral n > zero : n (K y) z ~~> y
43         let iszero = \n. n (\x. false) true  in
44
45
46         ; version 3 lists
47
48         let empty = \f z. z  in
49         let make_list = \h t f z. f h (t f z)  in
50         let isempty = \lst. lst (\h sofar. false) true  in
51         let head = \lst. lst (\h sofar. h) junk  in
52         let tail_empty = empty  in
53         let tail = \lst. (\shift. lst shift (make_pair empty tail_empty) get_snd)
54                                 ; where shift is
55                                 (\h p. p (\t y. make_pair (make_list h t) t))  in
56         let length = \lst. lst (\h sofar. succ sofar) 0  in
57         let map = \f lst. lst (\h sofar. make_list (f h) sofar) empty  in
58         let filter = \f lst. lst (\h sofar. f h (make_list h sofar) sofar) empty  in ; or
59         let filter = \f lst. lst (\h. f h (make_list h) I) empty  in
60         let singleton = \x f z. f x z  in
61         ; append [a;b;c] [x;y;z] ~~> [a;b;c;x;y;z]
62         let append = \left right. left make_list right  in
63         ; very inefficient but correct reverse
64         let reverse = \lst. lst (\h sofar. append sofar (singleton h)) empty  in ; or
65         ; more efficient reverse builds a left-fold instead
66         ; make_left_list a (make_left_list b (make_left_list c empty)) ~~> \f z. f c (f b (f a z))
67         let reverse = (\make_left_list lst. lst make_left_list empty) (\h t f z. t f (f h z))  in
68         ; from Oleg, of course it's the most elegant
69         ; revappend [a;b;c] [x;y] ~~> [c;b;a;x;y]
70         let revappend = \left. left (\hd sofar. \right. sofar (make_list hd right)) I  in
71         let rev = \lst. revappend lst empty  in
72         ; zip [a;b;c] [x;y;z] ~~> [(a,x);(b,y);(c,z)]
73         let zip = \left right. (\base build. reverse left build base (\x y. reverse x))
74                        ; where base is
75                        (make_pair empty (map (\h u. u h) right))
76                        ; and build is
77                        (\h sofar. sofar (\x y. isempty y
78                                                sofar
79                                                (make_pair (make_list (\u. head y (u h)) x)  (tail y))
80                        ))  in
81         let all = \f lst. lst (\h sofar. and sofar (f h)) true  in
82         let any = \f lst. lst (\h sofar. or sofar (f h)) false  in
83
84
85         ; version 1 lists
86
87         let empty = make_pair true junk  in
88         let make_list = \h t. make_pair false (make_pair h t)  in
89         let isempty = \lst. lst get_fst  in
90         let head = \lst. isempty lst err (lst get_snd get_fst)  in
91         let tail_empty = empty  in
92         let tail = \lst. isempty lst tail_empty (lst get_snd get_snd)  in
93         
94
95         ; more math with Church numerals
96
97         let add = \m n. m succ n  in ; or
98         let add = \m n s z. m s (n s z)  in
99         let mul = \m n. m (\z. add n z) zero  in ; or
100         let mul = \m n s. m (n s)  in
101         let pow = \b exp. exp (mul b) one  in ; or
102         ; b succ : adds b
103         ; b (b succ) ; adds b b times, ie adds b^2
104         ; b (b (b succ)) ; adds b^2 b times, ie adds b^3
105         ; exp b succ ; adds b^exp
106         let pow = \b exp s z. exp b s z  in
107
108
109         ; three strategies for predecessor
110         let pred_zero = zero  in
111         let pred = (\shift n. n shift (make_pair zero pred_zero) get_snd)
112                 ; where shift is
113                 (\p. p (\x y. make_pair (succ x) x))  in ; or
114         ; from Oleg; observe that for any Church numeral n: n I ~~> I
115         let pred = \n. iszero n zero
116                                         ; else
117                                         (n (\x. x I ; when x is the base term, this will be K zero
118                                                           ; when x is a Church numeral, it will be I
119                                                 (succ x))
120                                           ; base term
121                                           (K (K zero))
122                                         )  in
123         ; from Bunder/Urbanek
124         let pred = \n s z. n (\u v. v (u s)) (K z) I  in ; or
125
126                                         
127         ; inefficient but simple comparisons
128         let leq = \m n. iszero (n pred m)  in
129         let lt = \m n. not (leq n m)  in
130         let eq = \m n. and (leq m n) (leq n m)  in ; or
131
132
133         ; more efficient comparisons, Oleg's gt provided some simplifications
134         let leq = (\base build consume. \m n. n consume (m build base) get_fst)
135                         ; where base is
136                         (make_pair true junk)
137                         ; and build is
138                         (\p. make_pair false p)
139                         ; and consume is
140                         (\p. p get_fst p (p get_snd))  in
141         let lt = \m n. not (leq n m)  in
142         let eq = (\base build consume. \m n. n consume (m build base) get_fst)
143                         ; 2nd element of a pair will now be of the form (K sthg) or I
144                         ; we supply the pair being consumed itself as an argument
145                         ; getting back either sthg or the pair we just consumed
146                         ; base is
147                         (make_pair true (K (make_pair false I)))
148                         ; and build is
149                         (\p. make_pair false (K p))
150                         ; and consume is
151                         (\p. p get_snd p)  in
152         
153
154         ; -n is a fixedpoint of \x. add (add n x) x
155         ; but unfortunately Y that_function doesn't normalize
156         ; instead:
157         let sub = \m n. n pred m  in ; or
158         ; how many times we can succ n until m <= result
159         let sub = \m n. (\base build. m build base (\cur fin sofar. sofar))
160                                 ; where base is
161                                 (make_triple n false zero)
162                                 ; and build is
163                                 (\t. t (\cur fin sofar. or fin (leq m cur)
164                                                 (make_triple cur true sofar) ; enough
165                                                 (make_triple (succ cur) false (succ sofar)) ; continue
166                                 ))  in
167         ; or
168         let sub = (\base build consume. \m n. n consume (m build base) get_fst)
169                         ; where base is
170                         (make_pair zero I) ; see second defn of eq for explanation of 2nd element
171                         ; and build is
172                         (\p. p (\x y. make_pair (succ x) (K p)))
173                         ; and consume is
174                         (\p. p get_snd p)  in
175
176
177         let min = \m n. sub m (sub m n) in
178         let max = \m n. add n (sub m n) in
179
180
181         ; (m/n) is a fixedpoint of \x. add (sub (mul n x) m) x
182         ; but unfortunately Y that_function doesn't normalize
183         ; instead:
184         ; how many times we can sub n from m while n <= result
185         let div = \m n. (\base build. m build base (\cur go sofar. sofar))
186                                 ; where base is
187                                 (make_triple m true zero)
188                                 ; and build is
189                                 (\t. t (\cur go sofar. and go (leq n cur)
190                                                 (make_triple (sub cur n) true (succ sofar)) ; continue
191                                                 (make_triple cur false sofar) ; enough
192                                 ))  in
193     ; what's left after sub n from m while n <= result
194     let mod = \m n. (\base build. m build base (\cur go. cur))
195                 ; where base is
196                 (make_pair m true)
197                 ; and build is
198                 (\p. p (\cur go. and go (leq n cur)
199                         (make_pair (sub cur n) true) ; continue
200                         (make_pair cur false) ; enough
201                 ))  in
202
203         ; or
204         let divmod = (\base build mtail. \m n.
205                                         (\dhead. m (mtail dhead) (\sel. dhead (sel 0 0)))
206                                                         (n build base (\x y z. z junk))
207                                                         (\t u x y z. make_pair t u) )
208                                 ; where base is
209                                 (make_triple succ (K 0) I) ; see second defn of eq for explanation of 3rd element
210                                 ; and build is
211                         (\t. make_triple I succ (K t))
212                                 ; and mtail is
213                                 (\dhead d. d (\dz mz df mf drest sel. drest dhead (sel (df dz) (mf mz))))
214         in
215         let div = \n d. divmod n d get_fst  in
216         let mod = \n d. divmod n d get_snd  in
217
218
219         ; sqrt n is a fixedpoint of \x. div (div (add n (mul x x)) 2) x
220         ; but unfortunately Y that_function doesn't normalize
221
222
223         ; (log base b of m) is a fixedpoint of \x. add (sub (pow b x) m) x
224         ; but unfortunately Y that_function doesn't normalize
225         ; instead:
226         ; how many times we can mul b by b while result <= m
227         let log = \m b. (\base build. m build base (\cur go sofar. sofar))
228                 ; where base is
229                 (make_triple b true 0)
230                 ; and build is
231                 (\t. t (\cur go sofar. and go (leq cur m)
232                            (make_triple (mul cur b) true (succ sofar)) ; continue
233                            (make_triple cur false sofar) ; enough
234                 ))  in
235
236
237         ; Rosenbloom's fixed point combinator
238         let Y = \f. (\h. f (h h)) (\h. f (h h)) in
239         ; Turing's fixed point combinator
240         let Theta = (\u f. f (u u f)) (\u f. f (u u f))  in
241
242
243         ; now you can search for primes, do encryption :-)
244         let gcd = Y (\gcd m n. iszero n m (gcd n (mod m n)))  in ; or
245         let gcd = \m n. iszero m n (Y (\gcd m n. iszero n m (lt n m (gcd (sub m n) n) (gcd m (sub n m)))) m n)  in
246         let lcm = \m n. or (iszero m) (iszero n) 0 (mul (div m (gcd m n)) n)  in
247
248
249         ; length for version 1 lists
250         let length = Y (\self lst. isempty lst 0 (succ (self (tail lst))))  in
251
252
253         true
254
255 <!--
256
257         ; numhelper 0 f z ~~> z
258         ; when n > 0: numhelper n f z ~~> f (pred n)
259         ; compare Bunder/Urbanek pred
260         let numhelper = \n. n (\u v. v (u succ)) (K 0) (\p f z. f p)  in
261
262         ; accepts fixed point combinator as a parameter, so you can use different ones
263         let fact = \y. y (\self n. numhelper n (\p. mul n (self p)) 1)  in
264
265
266
267         fact Theta 3  ; returns 6
268 -->
269
270 <!--
271         ; my original efficient comparisons
272         let leq = (\base build consume. \m n. n consume (m build base) get_fst (\x. false) true)
273                         ; where base is
274                         (make_pair zero I) ; supplying this pair as an arg to its 2nd term returns the pair
275                         ; and build is
276                         (\p. p (\x y. make_pair (succ x) (K p))) ; supplying the made pair as an arg to its 2nd term returns p (the previous pair)
277                         ; and consume is
278                         (\p. p get_snd p)  in
279         let lt = \m n. not (leq n m) in
280         let eq = (\base build consume. \m n. n consume (m build base) true (\x. false) true)
281                         ; where base is
282                         (make_pair zero (K (make_pair one I)))
283                         ; and build is
284                         (\p. p (\x y. make_pair (succ x) (K p)))
285                         ; and consume is
286                         (\p. p get_snd p)  in ; or
287 -->
288
289 <!--
290         gcd
291         pow_mod
292
293
294         show Oleg's definition of integers:
295                 church_to_int = \n sign. n
296                 church_to_negint = \n sign s z. sign (n s z)
297
298                 ; int_to_church
299                 abs = \int. int I
300
301                 sign_case = \int ifpos ifzero ifneg. int (K ifneg) (K ifpos) ifzero
302
303                 negate_int = \int. sign_case int (church_to_negint (abs int)) zero (church_to_int (abs int))
304
305         for more, see http://okmij.org/ftp/Computation/lambda-calc.html#neg
306
307
308 -->
309
310 <!--
311 let list_equal =
312     \left right. left
313                 ; here's our f
314                 (\hd sofar.
315                     ; deconstruct our sofar-pair
316                     sofar (\might_be_equal right_tail.
317                         ; our new sofar
318                         make_pair
319                         (and (and might_be_equal (not (isempty right_tail))) (eq? hd (head right_tail)))
320                         (tail right_tail)
321                     ))
322                 ; here's our z
323                 ; we pass along the fold a pair
324                 ; (might_for_all_i_know_still_be_equal?, tail_of_reversed_right)
325                 ; when left is empty, the lists are equal if right is empty
326                 (make_pair
327                     true ; for all we know so far, they might still be equal
328                     (reverse right)
329                 )
330                 ; when fold is finished, check sofar-pair
331                 (\might_be_equal right_tail. and might_be_equal (isempty right_tail))
332
333 ; most elegant
334 let list_equal = \left. left (\hd sofar. \right. and (and (not (isempty right)) (eq hd (head right))) (sofar (tail right))) isempty
335
336 -->
337