add some more
[lambda.git] / topics / week7_introducing_monads.mdwn
1 <!-- λ Λ ∀ ≡ α β γ ρ ω Ω ○ μ η δ ζ ξ ⋆ ★ • ∙ ● 𝟎 𝟏 𝟐 𝟘 𝟙 𝟚 𝟬 𝟭 𝟮 -->
2 <!-- Loved this one: http://www.stephendiehl.com/posts/monads.html -->
3
4 Introducing Monads
5 ==================
6
7 The [[tradition in the functional programming
8 literature|https://wiki.haskell.org/Monad_tutorials_timeline]] is to
9 introduce monads using a metaphor: monads are spacesuits, monads are
10 monsters, monads are burritos. These metaphors can be helpful, and they
11 can be unhelpful. There's a backlash about the metaphors that tells people
12 to instead just look at the formal definition. We'll give that to you below, but it's
13 sometimes sloganized as
14 [A monad is just a monoid in the category of endofunctors, what's the problem?](http://stackoverflow.com/questions/3870088).
15 Without some intuitive guidance, this can also be unhelpful. We'll try to find a good balance.
16
17
18 The closest we will come to metaphorical talk is to suggest that
19 monadic types place values inside of *boxes*, and that monads wrap
20 and unwrap boxes to expose or enclose the values inside of them. In
21 any case, our emphasis will be on starting with the abstract structure
22 of monads, followed by instances of monads from the philosophical and
23 linguistics literature.
24
25 > <small>After you've read this once and are coming back to re-read it to try to digest the details further, the "endofunctors" that slogan is talking about are a combination of our boxes and their associated maps. Their "monoidal" character is captured in the Monad Laws, where a "monoid"---don't confuse with a mon*ad*---is a simpler algebraic notion, meaning a universe with some associative operation that has an identity. For advanced study, here are some further links on the relation between monads as we're working with them and monads as they appear in Category Theory:
26 [1](http://en.wikipedia.org/wiki/Outline_of_category_theory)
27 [2](http://lambda1.jimpryor.net/advanced_topics/monads_in_category_theory/)
28 [3](http://en.wikibooks.org/wiki/Haskell/Category_theory)
29 [4](https://wiki.haskell.org/Category_theory), where you should follow the further links discussing Functors, Natural Transformations, and Monads.</small>
30
31
32 ## Box types: type expressions with one free type variable ##
33
34 Recall that we've been using lower-case Greek letters
35 <code>&alpha;, &beta;, &gamma;, ...</code> as type variables. We'll
36 use `P`, `Q`, `R`, and `S` as schematic metavariables over type expressions, that may or may not contain unbound
37 type variables. For instance, we might have
38
39     P_1 ≡ int
40     P_2 ≡ α -> α
41     P_3 ≡ ∀α. α -> α
42     P_4 ≡ ∀α. α -> β 
43
44 and so on.
45
46 A *box type* will be a type expression that contains exactly one free
47 type variable. (You could extend this to expressions with more free variables; then you'd have
48 to specify which one of them the box is capturing. But let's keep it simple.) Some examples (using OCaml's type conventions):
49
50     α option
51     α list
52     (α, R) tree    (assuming R contains no free type variables)
53     (α, α) tree
54
55 The idea is that whatever type the free type variable `α` might be instantiated to,
56 we will have a "type box" of a certain sort that "contains" values of type `α`. For instance,
57 if `α list` is our box type, and `α` instantiates to the type `int`, then in this context, `int list`
58 is the type of a boxed integer.
59
60 Warning: although our initial motivating examples are readily thought of as "containers" (lists, trees, and so on, with `α`s as their "elements"), with later examples we discuss it will be less natural to describe the boxed types that way. For example, where `R` is some fixed type, `R -> α` will be one box type we work extensively with.
61
62 Also, for clarity: the *box type* is the type `α list` (or as we might just say, the `list` type operator); the *boxed type* is some specific instantiation of the free type variable `α`. We'll often write boxed types as a box containing what the free
63 type variable instantiates to. So if our box type is `α list`, and `α` instantiates to the specific type `int`, we write:
64
65 <code><u>int</u></code>
66
67 for the type of a boxed `int`.
68
69
70
71 ## Kleisli arrows ##
72
73 A lot of what we'll be doing concerns types that are called *Kleisli arrows*. Don't worry about why they're called that, or if you like go read some Category Theory. All we need to know is that these are functions whose type has the form:
74
75 <code>P -> <u>Q</u></code>
76
77 That is, they are functions from values of one type `P` to a boxed type `Q`, for some choice of type expressions `P` and `Q`.
78 For instance, the following are Kleisli arrow types:
79
80 <code>int -> <u>bool</u></code>
81
82 <code>int list -> <u>int list</u></code>
83
84 In the first, `P` has become `int` and `Q` has become `bool`. (The boxed type <code><u>Q</u></code> is <code><u>bool</u></code>).
85
86 Note that either of the schemas `P` or `Q` are permitted to themselves be boxed
87 types. That is, if `α list` is our box type, we can write the second type as:
88
89 <code><u>int</u> -> <u>int list</u></code>
90
91 And also what the rhs there is a boxing of is itself a boxed type (with the same kind of box):, so we can write it as:
92
93 <code><u>int</u> -> <span class="box2">int</span></code>
94
95 We have to be careful though not to to unthinkingly equivocate between different kinds of boxes.
96
97 Here are some examples of values of these Kleisli arrow types, where the box type is `α list`, and the Kleisli arrow types are <code>int -> <u>int</u></code> (that is, `int -> int list`) or <code>int -> <u>bool</u></code>:
98
99 <pre>\x. [x]
100 \x. [odd? x, odd? x]
101 \x. prime_factors_of x
102 \x. [0, 0, 0]</pre>
103
104 As semanticists, you are no doubt familiar with the debates between those who insist that propositions are sets of worlds and those who insist they are context change potentials. We hope to show you, in coming weeks, that propositions are (certain sorts of) Kleisli arrows. But this doesn't really compete with the other proposals; it is a generalization of them. Both of the other proposed structures can be construed as specific Kleisli arrow types.
105
106
107 ## A family of functions for each box type ##
108
109 We'll need a family of functions to help us work with box types. As will become clear, these have to be defined differently for each box type.
110
111 Here are the types of our crucial functions, together with our pronunciation, and some other names the functions go by. (Usually the type doesn't fix their behavior, which will be discussed below.)
112
113 <code>map (/mæp/): (P -> Q) -> <u>P</u> -> <u>Q</u></code>
114
115 > In Haskell, this is the function `fmap` from the `Prelude` and `Data.Functor`; also called `<$>` in `Data.Functor` and `Control.Applicative`, and also called `Control.Applicative.liftA` and `Control.Monad.liftM`.
116
117 <code>map2 (/mæptu/): (P -> Q -> R) -> <u>P</u> -> <u>Q</u> -> <u>R</u></code>
118
119 > In Haskell, this is called `Control.Applicative.liftA2` and `Control.Monad.liftM2`.
120
121 <code>mid (/εmaidεnt@tI/): P -> <u>P</u></code>
122
123 > In Haskell, this is called `Control.Monad.return` and `Control.Applicative.pure`. In other theoretical contexts it is sometimes called `unit` or `η`. In the class presentation Jim called it `𝟭`; but now we've decided that `mid` is better. (Think of it as "m" plus "identity", not as the start of "midway".) This notion is exemplified by `Just` for the box type `Maybe α` and by the singleton function for the box type `List α`.
124
125 <code>m$ or mapply (/εm@plai/): <u>P -> Q</u> -> <u>P</u> -> <u>Q</u></code>
126
127 > We'll use `m$` as a left-associative infix operator, reminiscent of (the right-associative) `$` which is just ordinary function application (also expressed by mere left-associative juxtaposition). In the class presentation Jim called `m$` `●`. In Haskell, it's called `Control.Monad.ap` or `Control.Applicative.<*>`.
128
129 <code>&lt;=&lt; or mcomp : (Q -> <u>R</u>) -> (P -> <u>Q</u>) -> (P -> <u>R</u>)</code>
130
131 > In Haskell, this is `Control.Monad.<=<`.
132
133 <code>&gt;=&gt; (flip mcomp, should we call it mpmoc?): (P -> <u>Q</u>) -> (Q -> <u>R</u>) -> (P -> <u>R</u>)</code>
134
135 > In Haskell, this is `Control.Monad.>=>`. In the class handout, we gave the types for `>=>` twice, and once was correct but the other was a typo. The above is the correct typing.
136
137 <code>&gt;&gt;= or mbind : (<u>Q</u>) -> (Q -> <u>R</u>) -> (<u>R</u>)</code>
138
139 <code>=&lt;&lt; (flip mbind, should we call it mdnib?) (Q -> <u>R</u>) -> (<u>Q</u>) -> (<u>R</u>)</code>
140
141 <code>join: <span class="box2">P</span> -> <u>P</u></code>
142
143 > In Haskell, this is `Control.Monad.join`. In other theoretical contexts it is sometimes called `μ`.
144
145 Haskell uses the symbol `>>=` but calls it "bind". This is not well chosen from the perspective of formal semantics, but it's too deeply entrenched to change. We've at least preprended an "m" to the front of "bind".
146
147 Haskell's names "return" and "pure" for `mid` are even less well chosen, and we think it will be clearer in our discussion to use a different name. (Also, in other theoretical contexts this notion goes by other names, anyway, like `unit` or `η` --- having nothing to do with `η`-reduction in the Lambda Calculus.)
148
149 The menagerie isn't quite as bewildering as you might suppose. Many of these will be interdefinable. For example, here is how `mcomp` and `mbind` are related: <code>k <=< j ≡ \a. (j a >>= k)</code>. We'll state some other interdefinitions below.
150
151 We will move freely back and forth between using `>=>` and using `<=<` (aka `mcomp`), which
152 is just `>=>` with its arguments flipped. `<=<` has the virtue that it corresponds more
153 closely to the ordinary mathematical symbol `○`. But `>=>` has the virtue
154 that its types flow more naturally from left to right.
155
156 These functions come together in several systems, and have to be defined in a way that coheres with the other functions in the system:
157
158 *   ***Mappable*** (in Haskelese, "Functors") At the most general level, box types are *Mappable*
159 if there is a `map` function defined for that box type with the type given above. This
160 has to obey the following Map Laws:
161
162     <code>map (id : α -> α) == (id : <u>α</u> -> <u>α</u>)</code>  
163     <code>map (g ○ f) == (map g) ○ (map f)</code>
164
165     Essentially these say that `map` is a homomorphism from the algebra of `(universe α -> β, operation ○, elsment id)` to that of <code>(<u>α</u> -> <u>β</u>, ○', id')</code>, where `○'` and `id'` are `○` and `id` restricted to arguments of type <code><u>_</u></code>. That might be hard to digest because it's so abstract. Think of the following concrete example: if you take a `α list` (that's our <code><u>α</u></code>), and apply `id` to each of its elements, that's the same as applying `id` to the list itself. That's the first law. And if you apply the composition of functions `g ○ f` to each of the list's elements, that's the same as first applying `f` to each of the elements, and then going through the elements of the resulting list and applying `g` to each of those elements. That's the second law. These laws obviously hold for our familiar notion of `map` in relation to lists.
166
167     > <small>As mentioned at the top of the page, in Category Theory presentations of monads they usually talk about "endofunctors", which are mappings from a Category to itself. In the uses they make of this notion, the endofunctors combine the role of a box type <code><u>_</u></code> and of the `map` that goes together with it.</small>
168
169
170 *   ***MapNable*** (in Haskelese, "Applicatives") A Mappable box type is *MapNable*
171        if there are in addition `map2`, `mid`, and `mapply`.  (Given either
172        of `map2` and `mapply`, you can define the other, and also `map`.
173        Moreover, with `map2` in hand, `map3`, `map4`, ... `mapN` are easily definable.) These
174        have to obey the following MapN Laws:
175
176     1. <code>mid (id : P->P) : <u>P</u> -> <u>P</u></code> is a left identity for `m$`, that is: `(mid id) m$ xs = xs`
177     2. `mid (f a) = (mid f) m$ (mid a)`
178     3. The `map2`ing of composition onto boxes `fs` and `gs` of functions, when `m$`'d to a box `xs` of arguments == the `m$`ing of `fs` to the `m$`ing of `gs` to xs: `(mid (○) m$ fs m$ gs) m$ xs = fs m$ (gs m$ xs)`.
179     4. When the arguments (the right-hand operand of `m$`) are an `mid`'d value, the order of `m$`ing doesn't matter: `fs m$ (mid x) = mid ($x) m$ fs`. (Though note that it's `mid ($x)`, or `mid (\f. f x)` that gets `m$`d onto `fs`, not the original `mid x`.) Here's an example where the order *does* matter: `[succ,pred] m$ [1,2] == [2,3,0,1]`, but `[($1),($2)] m$ [succ,pred] == [2,0,3,1]`. This Law states a class of cases where the order is guaranteed not to matter.
180     5. A consequence of the laws already stated is that when the _left_-hand operand of `m$` is a `mid`'d value, the order of `m$`ing doesn't matter either: `mid f m$ xs == map (flip ($)) xs m$ mid f`.
181
182 <!-- Probably there's a shorter proof, but:
183    mid T m$ xs m$ mid f
184 == mid T m$ ((mid id) m$ xs) m$ mid f, by 1
185 == mid (○) m$ mid T m$ mid id m$ xs m$ mid f, by 3
186 == mid ($id) m$ (mid (○) m$ mid T) m$ xs m$ mid f, by 4
187 == mid (○) m$ mid ($id) m$ mid (○) m$ mid T m$ xs m$ mid f, by 3
188 == mid ((○) ($id)) m$ mid (○) m$ mid T m$ xs m$ mid f, by 2
189 == mid ((○) ($id) (○)) m$ mid T m$ xs m$ mid f, by 2
190 == mid id m$ mid T m$ xs m$ mid f, by definitions of ○ and $
191 == mid T m$ xs m$ mid f, by 1
192 == mid ($f) m$ (mid T m$ xs), by 4
193 == mid (○) m$ mid ($f) m$ mid T m$ xs, by 3
194 == mid ((○) ($f)) m$ mid T m$ xs, by 2
195 == mid ((○) ($f) T) m$ xs, by 2
196 == mid f m$ xs, by definitions of ○ and $ and T == flip ($)
197 -->
198
199 *   ***Monad*** (or "Composables") A MapNable box type is a *Monad* if there
200        is in addition an associative `mcomp` having `mid` as its left and
201        right identity. That is, the following Monad Laws must hold:
202
203         mcomp (mcomp j k) l (that is, (j <=< k) <=< l) == mcomp j (mcomp k l)
204         mcomp mid k (that is, mid <=< k) == k
205         mcomp k mid (that is, k <=< mid) == k
206
207     You could just as well express the Monad laws using `>=>`:
208
209         l >=> (k >=> j) == (l >=> k) >=> j
210         k >=> mid == k
211         mid >=> k == k
212
213     If you have any of `mcomp`, `mpmoc`, `mbind`, or `join`, you can use them to define the others. Also, with these functions you can define `m$` and `map2` from *MapNables*. So with Monads, all you really need to get the whole system of functions are a definition of `mid`, on the one hand, and one of `mcomp`, `mbind`, or `join`, on the other.
214
215     In practice, you will often work with `>>=`. In the Haskell manuals, they express the Monad Laws using `>>=` instead of the composition operators. This looks similar, but doesn't have the same symmetry:
216
217         u >>= (\a -> k a >>= j) == (u >>= k) >>= j
218         u >>= mid == u
219         mid a >>= k == k a
220
221      Also, Haskell calls `mid` `return` or `pure`, but we've stuck to our terminology in this context.
222
223     > <small>In Category Theory discussion, the Monad Laws are instead expressed in terms of `join` (which they call `μ`) and `mid` (which they call `η`). These are assumed to be "natural transformations" for their box type, which means that they satisfy these equations with that box type's `map`:
224     > <pre>map f ○ mid == mid ○ f<br>map f ○ join == join ○ map (map f)</pre>
225     > The Monad Laws then take the form:
226     > <pre>join ○ (map join) == join ○ join<br>join ○ mid == id == join ○ map mid</pre>
227     > The first of these says that if you have a triply-boxed type, and you first merge the inner two boxes (with `map join`), and then merge the resulting box with the outermost box, that's the same as if you had first merged the outer two boxes, and then merged the resulting box with the innermost box. The second law says that if you take a box type and wrap a second box around it (with `mid`) and then merge them, that's the same as if you had done nothing, or if you had instead wrapped a second box around each element of the original (with `map mid`, leaving the original box on the outside), and then merged them.<p>
228     > The Category Theorist would state these Laws like this, where `M` is the endofunctor that takes us from type `α` to type <code><u>α</u></code>:
229     > <pre>μ ○ M(μ) == μ ○ μ<br>μ ○ η == id == μ ○ M(η)</pre></small>
230
231
232 As hinted in last week's homework and explained in class, the operations available in a Mappable system exactly preserve the "structure" of the boxed type they're operating on, and moreover are only sensitive to what content is in the corresponding original position. If you say `map f [1,2,3]`, then what ends up in the first position of the result depends only on how `f` and `1` combine.
233
234 For MapNable operations, on the other hand, the structure of the result may instead be a complex function of the structure of the original arguments. But only of their structure, not of their contents. And if you say `map2 f [10,20] [1,2,3]`, what ends up in the first position of the result depends only on how `f` and `10` and `1` combine.
235
236 With `map`, you can supply an `f` such that `map f [3,2,0,1] == [[3,3,3],[2,2],[],[1]]`. But you can't transform `[3,2,0,1]` to `[3,3,3,2,2,1]`, and you can't do that with MapNable operations, either. That would involve the structure of the result (here, the length of the list) being sensitive to the content, and not merely the structure, of the original.
237
238 For Monads (Composables), on the other hand, you can perform more radical transformations of that sort. For example, `join (map (\x. dup x x) [3,2,0,1])` would give us `[3,3,3,2,2,1]` (for a suitable definition of `dup`).
239
240 <!--
241 Some global transformations that we work with in semantics, like Veltman's test functions, can't directly be expressed in terms of the  primitive Monad operations? For example, there's no `j` such that `xs >>= j == mzero` if `xs` anywhere contains the value `1`.
242 -->
243
244
245 ## Interdefinitions and Subsidiary notions##
246
247 We said above that various of these box type operations can be defined in terms of others. Here is a list of various ways in which they're related. We try to stick to the consistent typing conventions that:
248
249 <pre>
250 f : α -> β;  g and h have types of the same form
251              also sometimes these will have types of the form α -> β -> γ
252              note that α and β are permitted to be, but needn't be, boxed types
253 j : α -> <u>β</u>; k and l have types of the same form
254 u : <u>α</u>;      v and xs and ys have types of the same form
255
256 w : <span class="box2">α</span>
257 </pre>
258
259 But we may sometimes slip.
260
261 Here are some ways the different notions are related:
262
263 <pre>
264 j >=> k ≡= \a. (j a >>= k)
265 u >>= k == (id >=> k) u; or ((\(). u) >=> k) ()
266 u >>= k == join (map k u)
267 join w == w >>= id
268 map2 f xs ys == xs >>= (\x. ys >>= (\y. mid (f x y)))
269 map2 f xs ys == (map f xs) m$ ys, using m$ as an infix operator
270 fs m$ xs == fs >>= (\f. map f xs)
271 m$ == map2 id
272 map f xs == mid f m$ xs
273 map f u == u >>= mid ○ f
274 </pre>
275
276
277 Here are some other monadic notion that you may sometimes encounter:
278
279 * <code>mzero</code> is a value of type <code><u>α</u></code> that is exemplified by `Nothing` for the box type `Maybe α` and by `[]` for the box type `List α`. It has the behavior that `anything m$ mzero == mzero == mzero m$ anything == mzero >>= anything`. In Haskell, this notion is called `Control.Applicative.empty` or `Control.Monad.mzero`.
280
281 * Haskell has a notion `>>` definable as `\u v. map (const id) u m$ v`, or as `\u v. u >>= const v`. This is often useful, and `u >> v` won't in general be identical to just `v`. For example, using the box type `List α`, `[1,2,3] >> [4,5] == [4,5,4,5,4,5]`. But in the special case of `mzero`, it is a consequence of what we said above that `anything >> mzero == mzero`. Haskell also calls `>>` `Control.Applicative.*>`.
282
283 * Haskell has a correlative notion `Control.Applicative.<*`, definable as `\u v. map const u m$ v`. For example, `[1,2,3] <* [4,5] == [1,1,2,2,3,3]`. You might expect Haskell to call `<*` `<<`, but they don't. They used to use `<<` for `flip (>>)` instead, but now they seem not to use `<<` anymore.
284
285 * <code>mapconst</code> is definable as `map ○ const`. For example `mapconst 4 [1,2,3] == [4,4,4]`. Haskell calls `mapconst` `<$` in `Data.Functor` and `Control.Applicative`. They also use `$>` for `flip mapconst`, and `Control.Monad.void` for `mapconst ()`.
286
287
288
289 ## Examples ##
290
291 To take a trivial (but, as we will see, still useful) example,
292 consider the Identity box type: `α`. So if `α` is type `bool`,
293 then a boxed `α` is ... a `bool`. That is, <code><u>α</u> == α</code>.
294 In terms of the box analogy, the Identity box type is a completely invisible box. With the following
295 definitions:
296
297     mid ≡ \p. p, that is, our familiar combinator I
298     mcomp ≡ \f g x. f (g x), that is, ordinary function composition (○) (aka the B combinator)
299
300 Identity is a monad.  Here is a demonstration that the laws hold:
301
302     mcomp mid k ≡ (\fgx.f(gx)) (\p.p) k
303               ~~> \x.(\p.p)(kx)
304               ~~> \x.kx
305               ~~> k
306     mcomp k mid ≡ (\fgx.f(gx)) k (\p.p)
307               ~~> \x.k((\p.p)x)
308               ~~> \x.kx
309               ~~> k
310     mcomp (mcomp j k) l ≡ mcomp ((\fgx.f(gx)) j k) l
311                       ~~> mcomp (\x.j(kx)) l
312                         ≡ (\fgx.f(gx)) (\x.j(kx)) l
313                       ~~> \x.(\x.j(kx))(lx)
314                       ~~> \x.j(k(lx))
315     mcomp j (mcomp k l) ≡ mcomp j ((\fgx.f(gx)) k l)
316                       ~~> mcomp j (\x.k(lx))
317                         ≡ (\fgx.f(gx)) j (\x.k(lx))
318                       ~~> \x.j((\x.k(lx)) x)
319                       ~~> \x.j(k(lx))
320
321 The Identity monad is favored by mimes.
322
323 To take a slightly less trivial (and even more useful) example,
324 consider the box type `α list`, with the following operations:
325
326     mid : α -> [α]
327     mid a = [a]
328  
329     mcomp : (β -> [γ]) -> (α -> [β]) -> (α -> [γ])
330     mcomp k j a = concat (map k (j a)) = List.flatten (List.map k (j a))
331                 = foldr (\b ks -> (k b) ++ ks) [] (j a) = List.fold_right (fun b ks -> List.append (k b) ks) [] (j a)
332                 = [c | b <- j a, c <- k b]
333
334 In the first two definitions of `mcomp`, we give the definition first in Haskell and then in the equivalent OCaml. The three different definitions of `mcomp` (one for each line) are all equivalent, and it is easy to show that they obey the Monad Laws. (You will do this in the homework.)
335
336 In words, `mcomp k j a` feeds the `a` (which has type `α`) to `j`, which returns a list of `β`s;
337 each `β` in that list is fed to `k`, which returns a list of `γ`s. The
338 final result is the concatenation of those lists of `γ`s.
339
340 For example: 
341
342     let j a = [a*a, a+a] in
343     let k b = [b, b+1] in
344     mcomp k j 7 ==> [49, 50, 14, 15]
345
346 `j 7` produced `[49, 14]`, which after being fed through `k` gave us `[49, 50, 14, 15]`.
347
348 Contrast that to `m$` (`mapply`), which operates not on two *box-producing functions*, but instead on two *values of a boxed type*, one containing functions to be applied to the values in the other box, via some predefined scheme. Thus:
349
350     let js = [(\a->a*a),(\a->a+a)] in
351     let xs = [7, 5] in
352     mapply js xs ==> [49, 25, 14, 10]
353
354
355 The question came up in class of when box types might fail to be Mappable, or Mappables might fail to be MapNables, or MapNables might fail to be Monads.
356
357 For the first failure, we noted that it's easy to define a `map` operation for the box type `R -> α`, for a fixed type `R`. You `map` a function of type `P -> Q` over a value of the boxed type <code><u>P</u></code>, that is `R -> P`, by just returning a function that takes some `R` as input, first supplies it to your `R -> P` value, and then supplies the result to your `map`ped function of type `P -> Q`. (We will be working with this Mappable extensively; in fact it's not just a Mappable but more specifically a Monad.)
358
359 But if on the other hand, your box type is `α -> R`, you'll find that there is no way to define a `map` operation that takes arbitrary functions of type `P -> Q` and values of the boxed type <code><u>P</u></code>, that is `P -> R`, and returns values of the boxed type <code><u>Q</u></code>.
360
361 For the second failure, that is cases of Mappables that are not MapNables, we cited box types like `(R, α)`, for arbitrary fixed types `R`. The `map` operation for these is defined by `map f (r,a) = (r, f a)`. For certain choices of `R` these can be MapNables too. The easiest case is when `R` is the type of `()`. But when we look at the MapNable Laws, we'll see that they impose constraints we cannot satisfy for *every* choice of the fixed type `R`. Here's why. We'll need to define `mid a = (r0, a)` for some specific `r0` of type `R`. Then the MapNable Laws will entail:
362
363     1. (r0,id) m$ (r,x) == (r,x)
364     2. (r0,f x) == (r0,f) m$ (r0,x)
365     3. (r0,(○)) m$ (r'',f) m$ (r',g) m$ (r,x) == (r'',f) m$ ((r',g) m$ (r,x))
366     4. (r'',f) m$ (r0,x) == (r0,($x)) m$ (r'',f)
367     5. (r0,f) m$ (r,x) == (r,($x)) m$ (r0,f)
368
369 Now we are not going to be able to write a `m$` function that inspects the second element of its left-hand operand to check if it's the `id` function; the identity of functions is not decidable. So the only way to satisfy Law 1 will be to use the first element of the right-hand operand (`r`) at least in those cases when the first element of the left-hand operand is `r0`. But then that means that the result of the lhs of Law 5 will also have a first element of `r`; so, turning now to the rhs of Law 5, we see that `m$` must use the first element of its _left_-hand operand (here again `r`) at least in those cases when the first element of its right-hand operand is `r0`. If our `R` type has a natural *monoid* structure, we could just let `r0` be the monoid's identity, and have `m$` combine other `R`s using the monoid's operation. Alternatively, if the `R` type is one that we can safely apply the predicate `(r0==)` to, then we could define `m$` something like this:
370
371     let (m$) (r1,f) (r2,x) = ((if r0==r1 then r2 else if r0==r2 then r1 else ...), ...)
372
373 But for some types neither of these will be the case. For function types, as we already mentioned, `==` is not decidable. If the functions have suitable types, they do form a monoid with `○` as the operation and `id` as the identity; but many function types won't be such that arbitrary functions of that type are composable. So when `R` is the type of functions from `int`s to `bool`s, for example, we won't have any way to write a `m$` that satisfies the constraints stated above.
374
375 For the third failure, that is examples of MapNables that aren't Monads, we'll just state that lists where the `map2` operation is taken to be zipping rather than taking the Cartesian product (what in Haskell are called `ZipList`s), these are claimed to exemplify that failure. But we aren't now in a position to demonstrate that to you.
376
377
378 ## Safe division ##
379
380 As we discussed in class, there are clear patterns shared between lists and option types and trees, so perhaps you can see why people want to figure out the general structures. But it probably isn't obvious yet why it would be useful to do so. To a large extent, this will only emerge over the next few classes. But we'll begin to demonstrate the usefulness of these patterns by talking through a simple example, that uses the monadic functions of the Option/Maybe box type.
381
382 Integer division presupposes that its second argument
383 (the divisor) is not zero, upon pain of presupposition failure.
384 Here's what my OCaml interpreter says:
385
386     # 12/0;;
387     Exception: Division_by_zero.
388
389 Say we want to explicitly allow for the possibility that
390 division will return something other than a number.
391 To do that, we'll use OCaml's `option` type, which works like this:
392
393     # type 'a option = None | Some of 'a;;
394     # None;;
395     - : 'a option = None
396     # Some 3;;
397     - : int option = Some 3
398
399 So if a division is normal, we return some number, but if the divisor is
400 zero, we return `None`. As a mnemonic aid, we'll prepend a `safe_` to the start of our new divide function.
401
402 <pre>
403 let safe_div (x:int) (y:int) =
404   match y with
405     | 0 -> None
406     | _ -> Some (x / y);;
407
408 (*
409 val safe_div : int -> int -> int option = fun
410 # safe_div 12 2;;
411 - : int option = Some 6
412 # safe_div 12 0;;
413 - : int option = None
414 # safe_div (safe_div 12 2) 3;;
415             ~~~~~~~~~~~~~
416 Error: This expression has type int option
417        but an expression was expected of type int
418 *)
419 </pre>
420
421 This starts off well: dividing `12` by `2`, no problem; dividing `12` by `0`,
422 just the behavior we were hoping for. But we want to be able to use
423 the output of the safe-division function as input for further division
424 operations. So we have to jack up the types of the inputs:
425
426 <pre>
427 let safe_div2 (u:int option) (v:int option) =
428   match u with
429   | None -> None
430   | Some x ->
431       (match v with
432       | Some 0 -> None
433       | Some y -> Some (x / y));;
434
435 (*
436 val safe_div2 : int option -> int option -> int option = <fun>
437 # safe_div2 (Some 12) (Some 2);;
438 - : int option = Some 6
439 # safe_div2 (Some 12) (Some 0);;
440 - : int option = None
441 # safe_div2 (safe_div2 (Some 12) (Some 0)) (Some 3);;
442 - : int option = None
443 *)
444 </pre>
445
446 Calling the function now involves some extra verbosity, but it gives us what we need: now we can try to divide by anything we
447 want, without fear that we're going to trigger system errors.
448
449 I prefer to line up the `match` alternatives by using OCaml's
450 built-in tuple type:
451
452 <pre>
453 let safe_div2 (u:int option) (v:int option) =
454   match (u, v) with
455   | (None, _) -> None
456   | (_, None) -> None
457   | (_, Some 0) -> None
458   | (Some x, Some y) -> Some (x / y);;
459 </pre>
460
461 So far so good. But what if we want to combine division with
462 other arithmetic operations? We need to make those other operations
463 aware of the possibility that one of their arguments has already triggered a
464 presupposition failure:
465
466 <pre>
467 let safe_add (u:int option) (v:int option) =
468   match (u, v) with
469     | (None, _) -> None
470     | (_, None) -> None
471     | (Some x, Some y) -> Some (x + y);;
472
473 (*
474 val safe_add : int option -> int option -> int option = <fun>
475 # safe_add (Some 12) (Some 4);;
476 - : int option = Some 16
477 # safe_add (safe_div (Some 12) (Some 0)) (Some 4);;
478 - : int option = None
479 *)
480 </pre>
481
482 This works, but is somewhat disappointing: the `safe_add` operation
483 doesn't trigger any presupposition of its own, so it is a shame that
484 it needs to be adjusted because someone else might make trouble.
485
486 But we can automate the adjustment, using the monadic machinery we introduced above.
487 As we said, there needs to be different `>>=`, `map2` and so on operations for each
488 monad or box type we're working with.
489 Haskell finesses this by "overloading" the single symbol `>>=`; you can just input that
490 symbol and it will calculate from the context of the surrounding type constraints what
491 monad you must have meant. In OCaml, the monadic operators are not pre-defined, but we will
492 give you a library that has definitions for all the standard monads, as in Haskell.
493 For now, though, we will define our `>>=` and `map2` operations by hand:
494
495 <pre>
496 let (>>=) (u : 'a option) (j : 'a -> 'b option) : 'b option =
497   match u with
498     | None -> None
499     | Some x -> j x;;
500
501 let map2 (f : 'a -> 'b -> 'c) (u : 'a option) (v : 'b option) : 'c option =
502   u >>= (fun x -> v >>= (fun y -> Some (f x y)));;
503
504 let safe_add3 = map2 (+);;    (* that was easy *)
505
506 let safe_div3 (u: int option) (v: int option) =
507   u >>= (fun x -> v >>= (fun y -> if 0 = y then None else Some (x / y)));;
508 </pre>
509
510 Haskell has an even more user-friendly notation for defining `safe_div3`, namely:
511
512     safe_div3 :: Maybe Int -> Maybe Int -> Maybe Int
513     safe_div3 u v = do {x <- u;
514                         y <- v;
515                         if 0 == y then Nothing else Just (x `div` y)}
516
517 Let's see our new functions in action:
518
519 <pre>
520 (*
521 # safe_div3 (safe_div3 (Some 12) (Some 2)) (Some 3);;
522 - : int option = Some 2
523 #  safe_div3 (safe_div3 (Some 12) (Some 0)) (Some 3);;
524 - : int option = None
525 # safe_add3 (safe_div3 (Some 12) (Some 0)) (Some 3);;
526 - : int option = None
527 *)
528 </pre>
529
530 Compare the new definitions of `safe_add3` and `safe_div3` closely: the definition
531 for `safe_add3` shows what it looks like to equip an ordinary operation to
532 survive in dangerous presupposition-filled world. Note that the new
533 definition of `safe_add3` does not need to test whether its arguments are
534 `None` values or real numbers---those details are hidden inside of the
535 `bind` function.
536
537 Note also that our definition of `safe_div3` recovers some of the simplicity of
538 the original `safe_div`, without the complexity introduced by `safe_div2`. We now
539 add exactly what extra is needed to track the no-division-by-zero presupposition. Here, too, we don't
540 need to keep track of what other presuppositions may have already failed
541 for whatever reason on our inputs.
542
543 (Linguistics note: Dividing by zero is supposed to feel like a kind of
544 presupposition failure. If we wanted to adapt this approach to
545 building a simple account of presupposition projection, we would have
546 to do several things. First, we would have to make use of the
547 polymorphism of the `option` type. In the arithmetic example, we only
548 made use of `int option`s, but when we're composing natural language
549 expression meanings, we'll need to use types like `N option`, `Det option`,
550 `VP option`, and so on. But that works automatically, because we can use
551 any type for the `'a` in `'a option`. Ultimately, we'd want to have a
552 theory of accommodation, and a theory of the situations in which
553 material within the sentence can satisfy presuppositions for other
554 material that otherwise would trigger a presupposition violation; but,
555 not surprisingly, these refinements will require some more
556 sophisticated techniques than the super-simple Option/Maybe monad.)
557