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2 [[!toc]]
3
4 # Applications of continuations to natural language
5
6 We've seen a number of applications of monads to natural language,
7 including presupposition projection, binding, intensionality, and the
8 dynamics of the GSV fragment.
9
10 In the past couple of weeks, we've introduced continuations, first as
11 a functional programming technique, then in terms of list and tree
12 zippers, then as a monad.  In this lecture, we will generalize
13 continuations slightly beyond a monad, and then begin to outline some
14 of the applications of monads.  In brief, the generalization can be
15 summarized in terms of types: instead of using a Kleisli arrow mapping
16 a type α to a continuized type (α -> ρ) -> ρ, we'll allow the result
17 types to differ, i.e., we'll map α to (α -> β) -> γ.  This will be
18 crucial for some natural language applications.
19
20 Many (though not all) of the applications are discussed in detail in
21 Barker and Shan 2014, *Continuations in Natural Language*, OUP.
22
23 In terms of list zippers, the continuation of a focused element in
24 the list is the front part of the list.
25
26     list zipper for the list [a;b;c;d;e;f] with focus on d:
27
28         ([c;b;a], [d;e;f])
29          -------
30      defunctionalized 
31      continuation
32
33 In terms of tree zippers, the continuation is the entire context of
34 the focused element--the entire rest of the tree.
35
36 [drawing of a broken tree]
37
38 Last week we had trouble computing the doubling task when there was more
39 than one shifty operator after moving from a list perspective to a
40 tree perspective.  That is, it remained unclear why "aScSe" was
41
42     "aacaceecaacaceecee"
43
44 We'll burn through that conceptual fog today.  The natural thing to
45 try would have been to defunctionalize the continuation-based solution
46 using a tree zipper.  But that would not have been easy, since the
47 natural way to implement the doubling behavior of the shifty operator
48 would have been to simply copy the context provided by the zipper.  
49 This would have produced two uncoordinated copies of the other shifty
50 operator, and we'd have been in the situation described in class of
51 having a reduction strategy that never reduced the number of shifty
52 operators below 2. (There are ways around this limitation of tree zippers, 
53 but they are essentially equivalent to the technique given just below.)
54
55 Instead, we'll re-interpreting what the continuation monad was doing
56 in more or less defunctionalized terms by using Quantifier Raising, a technique
57 from linguistics.
58
59 But first, motivating quantifier scope as a linguistic application.
60
61 # The primary application of continuations to natural language: scope-taking
62  
63 We have seen that continuations allow a deeply-embedded element to
64 take control over (a portion of) the entire computation that contains
65 it.  In natural language semantics, this is exactly what it means for
66 a scope-taking expression to take scope.
67
68     1. [Ann put a copy of [everyone]'s homeworks in her briefcase]
69
70     2. For every x, [Ann put a copy of x's homeworks in her briefcase]
71
72 The sentence in (1) can be paraphrased as in (2), in which the
73 quantificational DP *everyone* takes scope over the rest of the sentence.
74 Even if you suspect that there could be an analysis of (2) on which
75 "every student's term paper" could denote some kind of mereological
76 fusion of a set of papers, it is much more difficult to be satisfied
77 with a referential analysis when *every student* is replaced with 
78 *no student*, or *fewer than three students*, and so on---see any
79 semantics text book for abundant discussion.
80
81 We can arrive at an analysis by expressing the meaning of
82 quantificational DP such as *everyone* using continuations:
83
84     3. everyone = shift (\k.∀x.kx)
85
86 Assuming there is an implicit reset at the top of the sentence (we'll
87 explicitly address determining where there is or isn't a reset), the
88 reduction rules for `shift` will apply the handler function (\k.∀x.kx)
89 to the remainder of the sentence after abstracting over the position
90 of the shift expression:
91
92     [Ann put a copy of [shift (\k.∀x.kx)]'s homeworks in her briefcase]
93     ~~> (\k.∀x.kx) (\v. Ann put a copy of v's homeworks in her briefcase)
94     ~~> ∀x. Ann put a copy of x's homeworks in her briefcase
95
96 (To be a bit pedantic, this reduction sequence is more suitable for
97 shift0 than for shift, but we're not being fussy here about subflavors
98 of shifty operators.)
99
100 The standard technique for handling scope-taking in linguistics is
101 Quantifier Raising (QR).  As you might suppose, the rule for Quantifier
102 Raising closely resembles the reduction rule for shift:
103
104     Quantifier Raising: given a sentence [... [QDP] ...], build a new
105     sentence [QDP (\x.[... [x] ...])].  
106
107 Here, QDP is a scope-taking quantificational DP.
108
109 Just to emphasize the similarity between QR and shift, we can use QR
110 to provide insight into the tree task that mystified us earlier.
111
112 \tree (. (a)((S)((d)((S)(e)))))
113
114 <pre>
115   .
116 __|___
117 |    |
118 a  __|___
119    |    |
120    S  __|__
121       |   |
122       d  _|__
123          |  |
124          S  e
125 </pre>
126
127 First we QR the lower shift operator
128
129 \tree (. (S) ((\\x) ((a)((S)((d)((x)(e)))))))
130
131 <pre>
132    .
133 ___|___
134 |     |
135 S  ___|___
136    |     |
137    \x  __|___
138        |    |
139        a  __|___
140           |    |
141           S  __|__
142              |   |
143              d  _|__
144                 |  |
145                 x  e
146 </pre>
147
148 Next, we QR the upper shift operator
149
150 \tree (. (S) ((\\y) ((S) ((\\x) ((a)((y)((d)((x)(e)))))))))
151
152 <pre>
153    .
154 ___|___
155 |     |
156 S  ___|____
157    |      |
158    \y  ___|___
159        |     |
160        S  ___|___
161           |     |
162           \x  __|___
163               |    |
164               a  __|___
165                  |    |
166                  y  __|__
167                     |   |
168                     d  _|__
169                        |  |
170                        x  e
171 </pre>
172
173 We then evaluate, using the same value for the shift operator proposed before:
174
175     shift = \k.k(k "")
176
177 It will be easiest to begin evaluating this tree with the lower shift
178 operator (we get the same result if we start with the upper one).
179 The relevant value for k is (\x.a(y(d(x e)))).  Then k "" is
180 a(y(d(""(e)))), and k(k "") is a(y(d((a(y(d(""(e)))))(e)))).  In tree
181 form:
182
183 \tree (. (S) ((\\y) ((a)((y)((d)(((a)((y)((d)(("")(e)))))(e)))))))
184
185 <pre>
186    .
187 ___|___
188 |     |
189 S  ___|____
190    |      |
191    \y  ___|___
192        |     |
193        a  ___|___
194           |     |
195           y  ___|___
196              |     |
197              d  ___|___
198                 |     |
199               __|___  e
200               |    |
201               a  __|___
202                  |    |
203                  y  __|___
204                     |    |
205                     d  __|__
206                        |   |
207                        ""  e
208 </pre>
209
210
211 Repeating the process for the upper shift operator replaces each
212 occurrence of y with a copy of the whole tree.
213
214 \tree (. ((a)((((a)(("")((d)(((a)(("")((d)(("")(e)))))(e))))))((d)(((a)((((a)(("")((d)(((a)(("")((d)(("")(e)))))(e))))))((d)(("")(e)))))(e))))))
215
216 <pre>
217       .
218       |
219 ______|______
220 |           |
221 a  _________|__________
222    |                  |
223    |               ___|___
224 ___|___            |     |
225 |     |            d  ___|____
226 a  ___|____           |      |
227    |      |        ___|____  e
228    ""  ___|___     |      |
229        |     |     a  ____|_____
230        d  ___|___     |        |
231           |     |     |      __|___
232        ___|___  e  ___|___   |    |
233        |     |     |     |   d  __|__
234        a  ___|___  a  ___|____  |   |
235           |     |     |      |  ""  e
236           ""  __|___  ""  ___|___
237               |    |      |     |
238               d  __|__    d  ___|___
239                  |   |       |     |
240                  ""  e    ___|___  e
241                           |     |
242                           a  ___|___
243                              |     |
244                              ""  __|___
245                                  |    |
246                                  d  __|__
247                                     |   |
248                                     ""  e
249 </pre>
250
251 The yield of this tree (the sequence of leaf nodes) is
252 aadadeedaadadeedee, which is the expected output of the double-shifted tree.
253
254 Exercise: the result is different, by the way, if the QR occurs in a
255 different order.
256
257 Three lessons:
258
259 * Generalizing from one-sided, list-based continuation
260   operators to two-sided, tree-based continuation operators is a
261   dramatic increase in power and complexity.
262
263 * Operators that
264   compose multiple copies of a context can be hard to understand.
265
266 * When considering two-sided, tree-based continuation operators,
267   quantifier raising is a good tool for visualizing (defunctionalizing)
268   the computation.
269
270 ## Tower notation
271
272 At this point, we have three ways of representing computations
273 involving control operators such as shift and reset: using a CPS
274 transform, lifting into a continuation monad, and by using QR.
275
276 QR is the traditional system in linguistics, but it will not be
277 adequate for us in general.  The reason has to do with order.  As
278 we've discussed, especially with respect to the CPS transform,
279 continuations allow fine-grained control over the order of evaluation.
280 One of the main empirical claims of Barker and Shan 2014 is that
281 natural language is sensitive to evaluation order.  Unlike other
282 presentations of continuations, QR does not lend itself to reasoning
283 about evaluation order, so we will need to use a different strategy.
284
285 [Note to self: it is interesting to consider what it would take to
286 reproduce the analyses giving in Barker and Shan in purely QR terms.
287 Simple quantificational binding using parasitic scope should be easy,
288 but how reconstruction would work is not so clear.]
289
290 We'll present tower notation, then comment and motivate several of its
291 features as we consider various applications.  For now, we'll motivate
292 the tower notation by thinking about box types.  In the discussion of
293 monads, we've thought of monadic types as values inside of a box.  The
294 box will often contain information in addition to the core object.
295 For instance, in the Reader monad, a boxed int contains an expression
296 of type int as the payload, but also contains a function that
297 manipulates a list of information.  It is natural to imagine
298 separating a box into two regions, the payload and the hidden scratch
299 space:
300
301 <pre>
302     _______________               _______________           _______________ 
303     | [x->2, y->3] |              | [x->2, y->3] |          | [x->2, y->3] |
304   -------------------           ------------------         ------------------
305     |              |     ¢        |              |    =     |              |
306     |    +2        |              |     y        |          |     5        |
307     |______________|              |______________|          |______________|
308 </pre>
309
310 For people who are familiar with Discourse Representation Theory (Kamp
311 1981, Kamp and Reyle 1993), this separation of boxes into payload and
312 discourse scorekeeping will be familiar (although many details differ).
313
314 The general pattern is that monadic treatments separate computation
315 into an at-issue (pre-monadic) computation with a layer at which
316 side-effects occur.
317
318 The tower notation is a precise way of articulating continuation-based
319 computations into a payload and (potentially multiple) layers of side-effects.
320 We won't keep the outer box, but we will keep the horizontal line
321 dividing main effects from side-effects.
322
323 Tower convention for types:
324                                               γ | β
325     (α -> β) -> γ can be equivalently written ----- 
326                                                 α
327
328 Tower convention for values:
329                                            g[] 
330     \k.g[k(x)] can be equivalently written ---
331                                             x
332
333 If \k.g[k(x)] has type (α -> β) -> γ, then k has type (α -> β).
334
335 Here "g[ ]" is a *context*, that is, an expression with (exactly) one
336 hole in it.  For instance, we might have g[x] = \forall x.P[x].
337
338 We'll use a simply-typed system with two atomic types, DP (the type of
339 individuals) and S (the type of truth values).  
340
341 Then in the spirit of monadic thinking, we'll have a way of lifting an
342 arbitrary value into the tower system:
343
344                                            []    γ|β
345     LIFT (x:α) = \k.kx : (α -> β) -> γ ==  --- : ---
346                                            x      α
347
348 Obviously, LIFT is exactly the midentity (the unit) for the continuation monad.
349 The name comes from Partee's 1987 theory of type-shifters for
350 determiner phrases.  Importantly, LIFT applied to an
351 individual-denoting expression yields the generalized quantifier
352 proposed by Montague as the denotation for proper names:
353
354                                             []   S|S 
355     LIFT (j:DP) = \k.kx : (DP -> S) -> S == -- : ---
356                                             j    DP
357
358 So if the proper name *John* denotes the individual j, LIFT(j) is the
359 generalized quantifier that maps each property k of type DP -> S to true
360 just in case kj is true.
361
362 Once we have expressions of type (α -> β) -> γ, we'll need to combine
363 them.  We'll use the ¢ operator from the continuation monad:
364
365     g[]    γ | δ      h[]   δ | ρ    g[h[]]   γ | ρ
366     --- : -------  ¢  --- : ----- == ------ : -----
367     f     α -> β      x       α        fx       β
368
369 Note that the types below the horizontal line combine just like
370 functional application (i.e, f:(α->β) (x:α) = fx:β).
371
372 To demonstrate that this is indeed the continuation monad's ¢
373 operator:
374
375       ¢ (\k.g[kf]) (\k.h[kx])
376     = (\MNk.M(\m.N(\n.k(mn)))) (\k.g[kf]) (\k.h[kx])
377     ~~> \k.(\k.g[kf])(\m.(\k.h[kx])(\n.k(mn))
378     ~~> \k.g[(\k.h[kx])(\n.k(fn))
379     ~~> \k.g[h[k(fx)]]
380
381        g[h[]]
382     == ------
383          fx
384
385 Not a monad (Wadler); would be if the types were
386 Neverthless, obeys the monad laws.
387
388 This is (almost) all we need to get some significant linguistic work
389 done.  
390