b8627f589d09f704814a4146423927f8de08dd46
[lambda.git] / test2.mdwn
1 Here's what we did in seminar on Monday 9/13,
2
3 Sometimes these notes will expand on things mentioned only briefly in class, or discuss useful tangents that didn't even make it into class. These notes expand on *a lot*, and some of this material will be reviewed next week.
4
5 Applications
6 ============
7
8 We mentioned a number of linguistic and philosophical applications of the tools that we'd be helping you learn in the seminar. (We really do mean "helping you learn," not "teaching you." You'll need to aggressively browse and experiment with the material yourself, or nothing we do in a few two-hour sessions will succeed in inducing mastery of it.)
9
10 From linguistics
11 ----------------
12
13 *       generalized quantifiers are a special case of operating on continuations
14
15 *       (Chris: fill in other applications...)
16
17 *       expressives -- at the end of the seminar we gave a demonstration of modeling [[damn]] using continuations...see the [summary](/damn) for more explanation and elaboration
18
19 From philosophy
20 ---------------
21
22 *       the natural semantics for positive free logic is thought by some to have objectionable ontological commitments; Jim says that thought turns on not understanding the notion of a "union type", and conflating the folk notion of "naming" with the technical notion of semantic value. We'll discuss this in due course.
23
24 *       those issues may bear on Russell's Gray's Elegy argument in "On Denoting"
25
26 *       and on discussion of the difference between the meaning of "is beautiful" and "beauty," and the difference between the meaning of "that snow is white" and "the proposition that snow is white."
27
28 *       the apparatus of monads, and techniques for statically representing the semantics of an imperatival language quite generally, are explicitly or implicitly invoked in dynamic semantics
29
30 *       the semantics for mutation will enable us to make sense of a difference between numerical and qualitative identity---for purely mathematical objects!
31
32 *       issues in that same neighborhood will help us better understand proposals like Kit Fine's that semantics is essentially coordinated, and that `R a a` and `R a b` can differ in interpretation even when `a` and `b` don't
33
34
35
36 Basics of Lambda Calculus
37 =========================
38
39 The lambda calculus we'll be focusing on for the first part of the course has no types. (Some prefer to say it instead has a single type---but if you say that, you have to say that functions from this type to this type also belong to this type. Which is weird.)
40
41 Here is its syntax:
42
43 <blockquote>
44 <strong>Variables</strong>: <code>x</code>, <code>y</code>, <code>z</code>...
45 </blockquote>
46
47 Each variable is an expression. For any expressions M and N and variable a, the following are also expressions:
48
49 <blockquote>
50 <strong>Abstract</strong>: <code>(&lambda;a M)</code>
51 </blockquote>
52
53 We'll tend to write <code>(&lambda;a M)</code> as just `(\a M)`, so we don't have to write out the markup code for the <code>&lambda;</code>. You can yourself write <code>(&lambda;a M)</code> or `(\a M)` or `(lambda a M)`.
54
55 <blockquote>
56 <strong>Application</strong>: <code>(M N)</code>
57 </blockquote>
58
59
60 Some authors reserve the term "term" for just variables and abstracts. We'll probably just say "term" and "expression" indiscriminately for expressions of any of these three forms.
61
62 Examples of expressions:
63
64         x
65         (y x)
66         (x x)
67         (\x y)
68         (\x x)
69         (\x (\y x))
70         (x (\x x))
71         ((\x (x x)) (\x (x x)))
72
73 The lambda calculus has an associated proof theory. For now, we can regard the
74 proof theory as having just one rule, called the rule of **beta-reduction** or
75 "beta-contraction". Suppose you have some expression of the form:
76
77         ((\ a M) N)
78
79 that is, an application of an abstract to some other expression. This compound form is called a **redex**, meaning it's a "beta-reducible expression." `(\a M)` is called the **head** of the redex; `N` is called the **argument**, and `M` is called the **body**.
80
81 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
82
83         M [a:=N]
84
85 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
86
87 What is a free occurrence?
88
89 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
90
91 >       If T has the form `(M N)`, any occurrences of `a` that are bound in `M` are also bound in T, and so too any occurrences of `a` that are bound in `N`.
92
93 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
94
95 For instance:
96
97
98 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
99
100 The first occurrence of `x` in T is free.  The `\x` we won't regard as being an occurrence of `x`. The next occurrence of `x` occurs within a form that begins with `\x`, so it is bound as well. The occurrence of `y` is bound; and the occurrence of `z` is free.
101
102 Here's an example of beta-reduction:
103
104         ((\x (y x)) z)
105
106 beta-reduces to:
107
108         (y z)
109
110 We'll write that like this:
111
112         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
113
114 Different authors use different notations. Some authors use the term "contraction" for a single reduction step, and reserve the term "reduction" for the reflexive transitive closure of that, that is, for zero or more reduction steps. Informally, it seems easiest to us to say "reduction" for one or more reduction steps. So when we write:
115
116         M ~~> N
117
118 We'll mean that you can get from M to N by one or more reduction steps. Hankin uses the symbol <code><big><big>&rarr;</big></big></code> for one-step contraction, and the symbol <code><big><big>&#8608;</big></big></code> for zero-or-more step reduction. Hindley and Seldin use <code><big><big><big>&#8883;</big></big></big><sub>1</sub></code> and <code><big><big><big>&#8883;</big></big></big></code>.
119
120 When M and N are such that there's some P that M reduces to by zero or more steps, and that N also reduces to by zero or more steps, then we say that M and N are **beta-convertible**. We'll write that like this:
121
122         M <~~> N
123
124 This is what plays the role of equality in the lambda calculus. Hankin uses the symbol `=` for this. So too do Hindley and Seldin. Personally, I keep confusing that with the relation to be described next, so let's use this notation instead. Note that `M <~~> N` doesn't mean that each of `M` and `N` are reducible to each other; that only holds when `M` and `N` are the same expression. (Or, with our convention of only saying "reducible" for one or more reduction steps, it never holds.)
125
126 In the metatheory, it's also sometimes useful to talk about formulas that are syntactically equivalent *before any reductions take place*. Hankin uses the symbol <code>&equiv;</code> for this. So too do Hindley and Seldin. We'll use that too, and will avoid using `=` when discussing metatheory for the lambda calculus. Instead we'll use `<~~>` as we said above. When we want to introduce a stipulative definition, we'll write it out longhand, as in:
127
128 >       T is defined to be `(M N)`.
129
130 We'll regard the following two expressions:
131
132         (\x (x y))
133
134         (\z (z y))
135
136 as syntactically equivalent, since they only involve a typographic change of a bound variable. Read Hankin section 2.3 for discussion of different attitudes one can take about this.
137
138 Note that neither of those expressions are identical to:
139
140         (\x (x w))
141
142 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
143
144         (\y (y y))
145
146 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
147
148 There is plenty of discussion of this, and the fine points of how substitution works, in Hankin and in various of the tutorials we've linked to about the lambda calculus. We expect you have a good intuitive understanding of what to do already, though, even if you're not able to articulate it rigorously.
149
150
151 Shorthand
152 ---------
153
154 The grammar we gave for the lambda calculus leads to some verbosity. There are several informal conventions in widespread use, which enable the language to be written more compactly. (If you like, you could instead articulate a formal grammar which incorporates these additional conventions. Instead of showing it to you, we'll leave it as an exercise for those so inclined.)
155
156
157 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
158 paren as far the right as possible without creating unbalanced
159 parentheses". So:
160
161         (\x (\y (x y)))
162
163 can be abbreviated as:
164
165         (\x (\y. x y))
166
167 and:
168
169         (\x (\y. (z y) z))
170
171 would abbreviate:
172
173         (\x (\y ((z y) z)))
174
175 This on the other hand:
176
177         (\x (\y. z y) z)
178
179 would abbreviate:
180
181         (\x (\y (z y)) z)
182
183 **Parentheses** Outermost parentheses around applications can be dropped. Moreover, applications will associate to the left, so `M N P` will be understood as `((M N) P)`. Finally, you can drop parentheses around abstracts, but not when they're part of an application. So you can abbreviate:
184
185         (\x. x y)
186
187 as:
188
189         \x. x y
190
191 but you should include the parentheses in:
192
193         (\x. x y) z
194
195 and:
196
197         z (\x. x y)
198
199 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
200
201         (\x y. M)
202
203 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
204
205         (\x y z. M)
206
207
208 Lambda terms represent functions
209 --------------------------------
210
211 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
212 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
213
214 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
215 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
216
217 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
218 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
219
220 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
221 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
222
223 and so on.
224
225 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
226 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
227
228         (\x x)
229
230 and:
231
232         (\z z)
233
234 both represent the same function, the identity function. However, we said above that we would be regarding these expressions as synactically equivalent, so they aren't yet really examples of *distinct* lambda expressions representing a single function. However, all three of these are distinct lambda expressions:
235
236         (\y x. y x) (\z z)
237
238         (\x. (\z z) x)
239
240         (\z z)
241
242 yet when applied to any argument M, all of these will always return M. So they have the same extension. It's also true, though you may not yet be in a position to see, that no other function can differentiate between them when they're supplied as an argument to it. However, these expressions are all syntactically distinct.
243
244 The first two expressions are *convertible*: in particular the first reduces to the second. So they can be regarded as proof-theoretically equivalent even though they're not syntactically identical. However, the proof theory we've given so far doesn't permit you to reduce the second expression to the third. So these lambda expressions are non-equivalent.
245
246 There's an extension of the proof-theory we've presented so far which does permit this further move. And in that extended proof theory, all computable functions with the same extension do turn out to be equivalent (convertible). However, at that point, we still won't be working with the traditional mathematical notion of a function as a set of ordered pairs. One reason is that the latter but not the former permits uncomputable functions. A second reason is that the latter but not the former prohibits functions from applying to themselves. We discussed this some at the end of Monday's meeting (and further discussion is best pursued in person).
247
248
249
250 Booleans and pairs
251 ==================
252
253 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
254
255
256 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
257 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
258 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
259 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
260 proposed answers to the assignment.
261
262