tweak advanced
[lambda.git] / miscellaneous_lambda_challenges_and_advanced_topics.mdwn
1 1.      How would you define an operation to reverse a list? (Don't peek at the
2 [[lambda_library]]! Try to figure it out on your own.) Choose whichever
3 implementation of list you like. Even then, there are various strategies you
4 can use.
5
6
7 2.      An advantage of the v3 lists and v3 (aka "Church") numerals is that they
8         have a recursive capacity built into their skeleton. So for many natural
9         operations on them, you won't need to use a fixed point combinator. Why is
10         that an advantage? Well, if you use a fixed point combinator, then the terms
11         you get
12         won't be strongly normalizing: whether their reduction stops at a normal form
13         will depend on what evaluation order you use. Our online [[lambda evaluator]]
14         uses normal-order reduction, so it finds a normal form if there's one to be
15         had. But if you want to build lambda terms in, say, Scheme, and you wanted to
16         roll your own recursion as we've been doing, rather than relying on Scheme's
17         native `let rec` or `define`, then you can't use the fixed-point combinators
18         `Y` or <code>&Theta;</code>. Expressions using them will have non-terminating
19         reductions, with Scheme's eager/call-by-value strategy. There are other
20         fixed-point combinators you can use with Scheme (in the [[week3]] notes they
21         were <code>Y&prime;</code> and <code>&Theta;&prime;</code>. But even with
22         them, evaluation order still matters: for some (admittedly unusual)
23         evaluation strategies, expressions using them will also be non-terminating.
24
25         The fixed-point combinators may be the conceptual stars. They are cool and
26         mathematically elegant. But for efficiency and implementation elegance, it's
27         best to know how to do as much as you can without them. (Also, that knowledge
28         could carry over to settings where the fixed point combinators are in
29         principle unavailable.)
30
31         This is why the v3 lists and numbers are so lovely. However, one disadvantage
32         to them is that it's relatively inefficient to extract a list's tail, or get a
33         number's predecessor. To get the tail of the list `[a;b;c;d;e]`, one will
34         basically be performing some operation that builds up the tail afresh: at
35         different stages, one will have built up `[e]`, then `[d;e]`, then `[c;d;e]`, and
36         finally `[b;c;d;e]`. With short lists, this is no problem, but with longer lists
37         it takes longer and longer. And it may waste more of your computer's memory
38         than you'd like. Similarly for obtaining a number's predecessor.
39
40         The v1 lists and numbers on the other hand, had the tail and the predecessor
41         right there as an element, easy for the taking. The problem was just that the
42         v1 lists and numbers didn't have recursive capacity built into them, in the
43         way the v3 implementations do.
44
45         A clever approach would marry these two strategies.
46
47         Version 3 makes the list `[a;b;c;d;e]` look like this:
48
49                 \f z. f a (f b (f c (f d (f e z))))
50
51         or in other words:
52
53                 \f z. f a <the result of folding f and z over the tail>
54
55         Instead we could make it look like this:
56
57                 \f z. f a <the tail itself> <the result of folding f and z over the tail>
58
59         That is, now `f` is a function expecting *three* arguments: the head of the
60         current list, the tail of the current list, and the result of continuing to
61         fold `f` over the tail, with a given base value `z`.
62
63         Call this a **version 4** list. The empty list could be the same:
64
65                 empty === \f z. z
66
67         The list constructor would be:
68
69                 make_list === \h t. \f z. f h t (t f z)
70
71         It differs from the version 3 `make_list` only in adding the extra argument
72         `t` to the new, outer application of `f`.
73
74         Similarly, 5 as a v3 or Church numeral looks like this:
75
76                 \s z. s (s (s (s (s z))))
77
78         or in other words:
79
80                 \s z. s <the result of applying s to z (pred 5)-many times>
81
82         Instead we could make it look like this:
83
84                 \s z. s <pred 5> <the result of applying s to z (pred 5)-many times>
85
86         That is, now `s` is a function expecting *two* arguments: the predecessor of the
87         current number, and the result of continuing to apply `s` to the base value `z`
88         predecessor-many times.
89
90         Jim had the pleasure of "inventing" these implementations himself. However,
91         unsurprisingly, he wasn't the first to do so. See for example [Oleg's report
92         on P-numerals](http://okmij.org/ftp/Computation/lambda-calc.html#p-numerals).
93
94
95
96 3.      **Sets**
97
98         You're now already in a position to implement sets: that is, collections with
99         no intrinsic order where elements can occur at most once. Like lists, we'll
100         understand the basic set structures to be *type-homogenous*. So you might have
101         a set of integers, or you might have a set of pairs of integers, but you
102         wouldn't have a set that mixed both types of elements. Something *like* the
103         last option is also achievable, but it's more difficult, and we won't pursue it
104         now. In fact, we won't talk about sets of pairs, either. We'll just talk about
105         sets of integers. The same techniques we discuss here could also be applied to
106         sets of pairs of integers, or sets of triples of booleans, or sets of pairs
107         whose first elements are booleans, and whose second elements are triples of
108         integers. And so on.
109
110         (You're also now in a position to implement *multi*sets: that is, collections
111         with no intrinsic order where elements can occur multiple times: the multiset
112         {a,a} is distinct from the multiset {a}. But we'll leave these as an exercise.)
113
114         The easiest way to implement sets of integers would just be to use lists. When
115         you "add" a member to a set, you'd get back a list that was either identical to
116         the original list, if the added member already was present in it, or consisted
117         of a new list with the added member prepended to the old list. That is:
118
119                 let empty_set = empty  in
120                 ; see the library for definition of any
121                 let make_set = \new_member old_set. any (eq new_member) old_set
122                                                         ; if any element in old_set was eq new_member
123                                                         old_set
124                                                         ; else
125                                                         make_list new_member old_set
126
127         Think about how you'd implement operations like `set_union`,
128         `set_intersection`, and `set_difference` with this implementation of sets.
129
130         The implementation just described works, and it's the simplest to code.
131         However, it's pretty inefficient. If you had a 100-member set, and you wanted
132         to create a set which had all those 100-members and some possibly new element
133         `e`, you might need to check all 100 members to see if they're equal to `e`
134         before concluding they're not, and returning the new list. And comparing for
135         numeric equality is a moderately expensive operation, in the first place.
136
137         (You might say, well, what's the harm in just prepending `e` to the list even
138         if it already occurs later in the list. The answer is, if you don't keep track
139         of things like this, it will likely mess up your implementations of
140         `set_difference` and so on. You'll have to do the book-keeping for duplicates
141         at some point in your code. It goes much more smoothly if you plan this from
142         the very beginning.)
143
144         How might we make the implementation more efficient? Well, the *semantics* of
145         sets says that they have no intrinsic order. That means, there's no difference
146         between the set {a,b} and the set {b,a}; whereas there is a difference between
147         the *list* `[a;b]` and the list `[b;a]`. But this semantic point can be respected
148         even if we *implement* sets with something ordered, like list---as we're
149         already doing. And we might *exploit* the intrinsic order of lists to make our
150         implementation of sets more efficient.
151
152         What we could do is arrange it so that a list that implements a set always
153         keeps in elements in some specified order. To do this, there'd have *to be*
154         some way to order its elements. Since we're talking now about sets of numbers,
155         that's easy. (If we were talking about sets of pairs of numbers, we'd use
156         "lexicographic" ordering, where `(a,b) < (c,d)` iff `a < c or (a == c and b <
157         d)`.)
158
159         So, if we were searching the list that implements some set to see if the number
160         5 belonged to it, once we get to elements in the list that are larger than 5,
161         we can stop. If we haven't found 5 already, we know it's not in the rest of the
162         list either.
163
164         This is an improvement, but it's still a "linear" search through the list.
165         There are even more efficient methods, which employ "binary" searching. They'd
166         represent the set in such a way that you could quickly determine whether some
167         element fell in one half, call it the left half, of the structure that
168         implements the set, if it belonged to the set at all. Or that it fell in the
169         right half, it it belonged to the set at all. And then the same sort of
170         determination could be made for whichever half you were directed to. And then
171         for whichever quarter you were directed to next. And so on. Until you either
172         found the element or exhausted the structure and could then conclude that the
173         element in question was not part of the set. These sorts of structures are done
174         using **binary trees** (see below).
175
176
177 4.      **Aborting a search through a list**
178
179         We said that the sorted-list implementation of a set was more efficient than
180         the unsorted-list implementation, because as you were searching through the
181         list, you could come to a point where you knew the element wasn't going to be
182         found. So you wouldn't have to continue the search.
183
184         If your implementation of lists was, say v1 lists plus the Y-combinator, then
185         this is exactly right. When you get to a point where you know the answer, you
186         can just deliver that answer, and not branch into any further recursion. If
187         you've got the right evaluation strategy in place, everything will work out
188         fine.
189
190         But what if you're using v3 lists? What options would you have then for
191         aborting a search?
192
193         Well, suppose we're searching through the list `[5;4;3;2;1]` to see if it
194         contains the number `3`. The expression which represents this search would have
195         something like the following form:
196
197                 ..................<eq? 1 3>  ~~>
198                 .................. false     ~~>
199                 .............<eq? 2 3>       ~~>
200                 ............. false          ~~>
201                 .........<eq? 3 3>           ~~>
202                 ......... true               ~~>
203                 ?
204
205         Of course, whether those reductions actually followed in that order would
206         depend on what reduction strategy was in place. But the result of folding the
207         search function over the part of the list whose head is `3` and whose tail is `[2;
208         1]` will *semantically* depend on the result of applying that function to the
209         more rightmost pieces of the list, too, regardless of what order the reduction
210         is computed by. Conceptually, it will be easiest if we think of the reduction
211         happening in the order displayed above.
212
213         Well, once we've found a match between our sought number `3` and some member of
214         the list, we'd like to avoid any further unnecessary computations and just
215         deliver the answer `true` as "quickly" or directly as possible to the larger
216         computation in which the search was embedded.
217
218         With a Y-combinator based search, as we said, we could do this by just not
219         following a recursion branch.
220
221         But with the v3 lists, the fold is "pre-programmed" to continue over the whole
222         list. There is no way for us to bail out of applying the search function to the
223         parts of the list that have head `4` and head `5`, too.
224
225         We *can* avoid *some* unneccessary computation. The search function can detect
226         that the result we've accumulated so far during the fold is now true, so we
227         don't need to bother comparing `4` or `5` to `3` for equality. That will simplify the
228         computation to some degree, since as we said, numerical comparison in the
229         system we're working in is moderately expensive.
230
231         However, we're still going to have to traverse the remainder of the list. That
232         `true` result will have to be passed along all the way to the leftmost head of
233         the list. Only then can we deliver it to the larger computation in which the
234         search was embedded.
235
236         It would be better if there were some way to "abort" the list traversal. If,
237         having found the element we're looking for (or having determined that the
238         element isn't going to be found), we could just immediately stop traversing the
239         list with our answer. Continuations will turn out to let us do that.
240
241         We won't try yet to fully exploit the terrible power of continuations. But
242         there's a way that we can gain their benefits here locally, without yet having
243         a fully general machinery or understanding of what's going on.
244
245         The key is to recall how our implementations of booleans and pairs worked.
246         Remember that with pairs, we supply the pair "handler" to the pair as *an
247         argument*, rather than the other way around:
248
249                 pair (\x y. add x y)
250
251         or:
252
253                 pair (\x y. x)
254
255         to get the first element of the pair. Of course you can lift that if you want:
256
257                 extract_1st === \pair. pair (\x y. x)
258
259         but at a lower level, the pair is still accepting its handler as an argument,
260         rather than the handler taking the pair as an argument. (The handler gets *the
261         pair's elements*, not the pair itself, as arguments.)
262
263         The v2 implementation of lists followed a similar strategy:
264
265                 v2list (\h t. do_something_with_h_and_t) result_if_empty
266
267         If the v2list here is not empty, then this will reduce to the result of
268         supplying the list's head and tail to the handler `(\h t.
269         do_something_with_h_and_t)`.
270
271         Now, what we've been imagining ourselves doing with the search through the v3
272         list is something like this:
273
274
275                 larger_computation (search_through_the_list_for_3) other_arguments
276
277         That is, the result of our search is supplied as an argument (perhaps together
278         with other arguments) to the "larger computation". Without knowing the
279         evaluation order/reduction strategy, we can't say whether the search is
280         evaluated before or after it's substituted into the larger computation. But
281         semantically, the search is the argument and the larger computation is the
282         function to which it's supplied.
283
284         What if, instead, we did the same kind of thing we did with pairs and v2
285         lists? That is, what if we made the larger computation a "handler" that we
286         passed as an argument to the search?
287
288                 the_search (\search_result. larger_computation search_result other_arguments)
289
290         What's the advantage of that, you say. Other than to show off how cleverly
291         you can lift.
292
293         Well, think about it. Think about the difficulty we were having aborting the
294         search. Does this switch-around offer us anything useful?
295
296         It could.
297
298         What if the way we implemented the search procedure looked something like this?
299
300         At a given stage in the search, we wouldn't just apply some function f to the
301         head at this stage and the result accumulated so far, from folding the same
302         function (and a base value) to the tail at this stage. And then pass the result
303         of doing so leftward along the rest of the list.
304
305         We'd also give that function a "handler" that expected the result of the
306         current stage as an argument, and evaluated to passing that result leftwards
307         along the rest of the list.
308
309         Why would we do that, you say? Just more flamboyant lifting?
310
311         Well, no, there's a real point here. If we give the function a "handler" that
312         encodes the normal continuation of the fold leftwards through the list. We can
313         give it another "handler" as well. We can also give it the underlined handler:
314
315
316                 the_search (\search_result. larger_computation search_result other_arguments)
317                                    ------------------------------------------------------------------
318
319         This "handler" encodes the search's having finished, and delivering a final
320         answer to whatever else you wanted your program to do with the result of the
321         search. If you like, at any stage in the search you might just give an argument
322         to this handler, instead of giving an argument to the handler that continues
323         the list traversal leftwards. Semantically, this would amount to *aborting* the
324         list traversal! (As we've said before, whether the rest of the list traversal
325         really gets evaluated will depend on what evaluation order is in place. But
326         semantically we'll have avoided it. Our larger computation  won't depend on the
327         rest of the list traversal having been computed.)
328
329         Do you have the basic idea? Think about how you'd implement it. A good
330         understanding of the v2 lists will give you a helpful model.
331
332         In broad outline, a single stage of the search would look like before, except
333         now f would receive two extra, "handler" arguments.
334
335                 f 3 <result of folding f and z over [2; 1]> <handler to continue folding leftwards> <handler to abort the traversal>
336
337         `f`'s job would be to check whether 3 matches the element we're searching for
338         (here also 3), and if it does, just evaluate to the result of passing `true` to
339         the abort handler. If it doesn't, then evaluate to the result of passing
340         `false` to the continue-leftwards handler.
341
342         In this case, `f` wouldn't need to consult the result of folding `f` and `z` over `[2;
343         1]`, since if we had found the element `3` in more rightward positions of the
344         list, we'd have called the abort handler and this application of `f` to `3` etc
345         would never be needed. However, in other applications the result of folding `f`
346         and `z` over the more rightward parts of the list would be needed. Consider if
347         you were trying to multiply all the elements of the list, and were going to
348         abort (with the result `0`) if you came across any element in the list that was
349         zero. If you didn't abort, you'd need to know what the more rightward elements
350         of the list multiplied to, because that would affect the answer you passed
351         along to the continue-leftwards handler.
352
353         A **version 5** list would encode this kind of fold operation over the list, in
354         the same way that v3 (and v4) lists encoded the simpler fold operation.
355         Roughly, the list `[5;4;3;2;1]` would look like this:
356
357
358                 \f z continue_leftwards_handler abort_handler.
359                         <fold f and z over [4; 3; 2; 1]>
360                         (\result_of_fold_over_4321. f 5 result_of_fold_over_4321  continue_leftwards_handler abort_handler)
361                         abort_handler
362
363
364                 \f z continue_leftwards_handler abort_handler.
365                         (\continue_leftwards_handler abort_handler.
366                                 <fold f and z over [3; 2; 1]>
367                                 (\result_of_fold_over_321. f 4 result_of_fold_over_321 continue_leftwards_handler abort_handler)
368                                 abort_handler
369                         )
370                         (\result_of_fold_over_4321. f 5 result_of_fold_over_4321  continue_leftwards_handler abort_handler)
371                         abort_handler
372
373                 and so on               
374                 
375         Remarks: the `larger_computation_handler` should be supplied as both the
376         `continue_leftwards_handler` and the `abort_handler` for the leftmost
377         application, where the head `5` is supplied to `f`. Because the result of this
378         application should be passed to the larger computation, whether it's a "fall
379         off the left end of the list" result or it's a "I'm finished, possibly early"
380         result. The `larger_computation_handler` also then gets passed to the next
381         rightmost stage, where the head `4` is supplied to `f`, as the `abort_handler` to
382         use if that stage decides it has an early answer.
383
384         Finally, notice that we don't have the result of applying `f` to `4` etc given as
385         an argument to the application of `f` to `5` etc. Instead, we pass
386
387                 (\result_of_fold_over_4321. f 5 result_of_fold_over_4321 one_handler another_handler)
388
389         *to* the application of `f` to `4` as its "continue" handler. The application of `f`
390         to `4` can decide whether this handler, or the other, "abort" handler, should be
391         given an argument and constitute its result.
392
393
394         I'll say once again: we're using temporally-loaded vocabulary throughout this,
395         but really all we're in a position to mean by that are claims about the result
396         of the complex expression semantically depending only on this, not on that. A
397         demon evaluator who custom-picked the evaluation order to make things maximally
398         bad for you could ensure that all the semantically unnecessary computations got
399         evaluated anyway. At this stage, we don't have any way to prevent that. Later,
400         we'll see ways to semantically guarantee one evaluation order rather than
401         another. Though even then the demonic evaluation-order-chooser could make it
402         take unnecessarily long to compute the semantically guaranteed result. Of
403         course, in any real computing environment you'll know you're dealing with a
404         fixed evaluation order and you'll be able to program efficiently around that.
405
406         In detail, then, here's what our v5 lists will look like:
407
408                 let empty = \f z continue_handler abort_handler. continue_handler z  in
409                 let make_list = \h t. \f z continue_handler abort_handler.
410                         t f z (\sofar. f h sofar continue_handler abort_handler) abort_handler  in
411                 let isempty = \lst larger_computation. lst
412                                 ; here's our f
413                                 (\hd sofar continue_handler abort_handler. abort_handler false)
414                                 ; here's our z
415                                 true
416                                 ; here's the continue_handler for the leftmost application of f
417                                 larger_computation
418                                 ; here's the abort_handler
419                                 larger_computation  in
420                 let extract_head = \lst larger_computation. lst
421                                 ; here's our f
422                                 (\hd sofar continue_handler abort_handler. continue_handler hd)
423                                 ; here's our z
424                                 junk
425                                 ; here's the continue_handler for the leftmost application of f
426                                 larger_computation
427                                 ; here's the abort_handler
428                                 larger_computation  in
429                 let extract_tail = ; left as exercise
430                         ;; for real efficiency, it'd be nice to fuse the apparatus developed
431                         ;; in these v5 lists with the ideas from the v4 lists, above
432                         ;; but that also is left as an exercise
433
434         These functions are used like this:
435
436                 let my_list = make_list a (make_list b (make_list c empty) in
437                 extract_head my_list larger_computation
438
439         If you just want to see `my_list`'s head, the use `I` as the
440         `larger_computation`.
441
442         What we've done here does take some work to follow. But it should be within
443         your reach. And once you have followed it, you'll be well on your way to
444         appreciating the full terrible power of continuations.
445
446 <!-- (Silly [cultural reference](http://www.newgrounds.com/portal/view/33440).) -->
447
448         Of course, like everything elegant and exciting in this seminar, [Oleg
449         discusses it in much more
450         detail](http://okmij.org/ftp/Streams.html#enumerator-stream).
451
452
453
454 5.      Implementing (self-balancing) trees
455
456         more...