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 -->
4 Introducing Monads
5 ==================
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.
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.
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 (http://en.wikipedia.org/wiki/Outline_of_category_theory)
27 (http://lambda1.jimpryor.net/advanced_topics/monads_in_category_theory/)
28 (http://en.wikibooks.org/wiki/Haskell/Category_theory)
29 (https://wiki.haskell.org/Category_theory), where you should follow the further links discussing Functors, Natural Transformations, and Monads.</small>
32 ## Box types: type expressions with one free type variable ##
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
39     P_1 ≡ int
40     P_2 ≡ α -> α
41     P_3 ≡ ∀α. α -> α
42     P_4 ≡ ∀α. α -> β
44 and so on.
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):
50     α option
51     α list
52     (α, R) tree    (assuming R contains no free type variables)
53     (α, α) tree
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.
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.
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:
65 <code><u>int</u></code>
67 for the type of a boxed `int`.
71 ## Kleisli arrows ##
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:
75 <code>P -> <u>Q</u></code>
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:
80 <code>int -> <u>bool</u></code>
82 <code>int list -> <u>int list</u></code>
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>).
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:
89 <code><u>int</u> -> <u>int list</u></code>
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:
93 <code><u>int</u> -> <span class="box2">int</span></code>
95 We have to be careful though not to to unthinkingly equivocate between different kinds of boxes.
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>:
99 <pre>\x. [x]
100 \x. [odd? x, odd? x]
101 \x. prime_factors_of x
102 \x. [0, 0, 0]</pre>
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.
107 ## A family of functions for each box type ##
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.
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.)
113 <code>map (/mæp/): (P -> Q) -> <u>P</u> -> <u>Q</u></code>
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`.
117 <code>map2 (/mæptu/): (P -> Q -> R) -> <u>P</u> -> <u>Q</u> -> <u>R</u></code>
119 > In Haskell, this is called `Control.Applicative.liftA2` and `Control.Monad.liftM2`.
121 <code>mid (/εmaidεnt@tI/): P -> <u>P</u></code>
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`.
125 <code>m\$ or mapply (/εm@plai/): <u>P -> Q</u> -> <u>P</u> -> <u>Q</u></code>
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.<*>`.
129 <code>&lt;=&lt; or mcomp : (Q -> <u>R</u>) -> (P -> <u>Q</u>) -> (P -> <u>R</u>)</code>
131 > In Haskell, this is `Control.Monad.<=<`.
133 <code>&gt;=&gt; (flip mcomp, should we call it mpmoc?): (P -> <u>Q</u>) -> (Q -> <u>R</u>) -> (P -> <u>R</u>)</code>
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.
137 <code>&gt;&gt;= or mbind : (<u>Q</u>) -> (Q -> <u>R</u>) -> (<u>R</u>)</code>
139 <code>=&lt;&lt; (flip mbind, should we call it mdnib?) (Q -> <u>R</u>) -> (<u>Q</u>) -> (<u>R</u>)</code>
141 <code>join: <span class="box2">P</span> -> <u>P</u></code>
143 > In Haskell, this is `Control.Monad.join`. In other theoretical contexts it is sometimes called `μ`.
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".
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.)
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.
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.
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:
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:
162     <code>map (id : α -> α) == (id : <u>α</u> -> <u>α</u>)</code>
163     <code>map (g ○ f) == (map g) ○ (map f)</code>
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.
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>
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:
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`.
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 -->
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:
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
207     You could just as well express the Monad laws using `>=>`:
209         l >=> (k >=> j) == (l >=> k) >=> j
210         k >=> mid == k
211         mid >=> k == k
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.
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:
217         u >>= (\a -> k a >>= j) == (u >>= k) >>= j
218         u >>= mid == u
219         mid a >>= k == k a
221      Also, Haskell calls `mid` `return` or `pure`, but we've stuck to our terminology in this context.
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>
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.
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.
236 With `map`, you can supply an `f` such that `map f [3,2,0,1] == [[3,3,3],[2,2],[],]`. 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.
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`).
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 -->
245 ## Interdefinitions and Subsidiary notions##
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:
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
256 w : <span class="box2">α</span>
257 </pre>
259 But we may sometimes slip.
261 Here are some ways the different notions are related:
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>
277 Here are some other monadic notion that you may sometimes encounter:
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`.
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.*>`.
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.
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 ()`.
289 ## Examples ##
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:
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)
300 Identity is a monad.  Here is a demonstration that the laws hold:
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))
321 The Identity monad is favored by mimes.
323 To take a slightly less trivial (and even more useful) example,
324 consider the box type `α list`, with the following operations:
326     mid : α -> [α]
327     mid a = [a]
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]
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.)
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.
340 For example:
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]
346 `j 7` produced `[49, 14]`, which after being fed through `k` gave us `[49, 50, 14, 15]`.
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:
350     let js = [(\a->a*a),(\a->a+a)] in
351     let xs = [7, 5] in
352     mapply js xs ==> [49, 25, 14, 10]
355 As we illustrated 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.
358 ## Safe division ##
360 Integer division presupposes that its second argument
361 (the divisor) is not zero, upon pain of presupposition failure.
362 Here's what my OCaml interpreter says:
364     # 12/0;;
365     Exception: Division_by_zero.
367 Say we want to explicitly allow for the possibility that
368 division will return something other than a number.
369 To do that, we'll use OCaml's `option` type, which works like this:
371     # type 'a option = None | Some of 'a;;
372     # None;;
373     - : 'a option = None
374     # Some 3;;
375     - : int option = Some 3
377 So if a division is normal, we return some number, but if the divisor is
378 zero, we return `None`. As a mnemonic aid, we'll prepend a `safe_` to the start of our new divide function.
380 <pre>
381 let safe_div (x:int) (y:int) =
382   match y with
383     | 0 -> None
384     | _ -> Some (x / y);;
386 (*
387 val safe_div : int -> int -> int option = fun
388 # safe_div 12 2;;
389 - : int option = Some 6
390 # safe_div 12 0;;
391 - : int option = None
392 # safe_div (safe_div 12 2) 3;;
393             ~~~~~~~~~~~~~
394 Error: This expression has type int option
395        but an expression was expected of type int
396 *)
397 </pre>
399 This starts off well: dividing `12` by `2`, no problem; dividing `12` by `0`,
400 just the behavior we were hoping for. But we want to be able to use
401 the output of the safe-division function as input for further division
402 operations. So we have to jack up the types of the inputs:
404 <pre>
405 let safe_div2 (u:int option) (v:int option) =
406   match u with
407   | None -> None
408   | Some x ->
409       (match v with
410       | Some 0 -> None
411       | Some y -> Some (x / y));;
413 (*
414 val safe_div2 : int option -> int option -> int option = <fun>
415 # safe_div2 (Some 12) (Some 2);;
416 - : int option = Some 6
417 # safe_div2 (Some 12) (Some 0);;
418 - : int option = None
419 # safe_div2 (safe_div2 (Some 12) (Some 0)) (Some 3);;
420 - : int option = None
421 *)
422 </pre>
424 Calling the function now involves some extra verbosity, but it gives us what we need: now we can try to divide by anything we
425 want, without fear that we're going to trigger system errors.
427 I prefer to line up the `match` alternatives by using OCaml's
428 built-in tuple type:
430 <pre>
431 let safe_div2 (u:int option) (v:int option) =
432   match (u, v) with
433   | (None, _) -> None
434   | (_, None) -> None
435   | (_, Some 0) -> None
436   | (Some x, Some y) -> Some (x / y);;
437 </pre>
439 So far so good. But what if we want to combine division with
440 other arithmetic operations? We need to make those other operations
441 aware of the possibility that one of their arguments has already triggered a
442 presupposition failure:
444 <pre>
445 let safe_add (u:int option) (v:int option) =
446   match (u, v) with
447     | (None, _) -> None
448     | (_, None) -> None
449     | (Some x, Some y) -> Some (x + y);;
451 (*
452 val safe_add : int option -> int option -> int option = <fun>
453 # safe_add (Some 12) (Some 4);;
454 - : int option = Some 16
455 # safe_add (safe_div (Some 12) (Some 0)) (Some 4);;
456 - : int option = None
457 *)
458 </pre>
460 This works, but is somewhat disappointing: the `safe_add` operation
461 doesn't trigger any presupposition of its own, so it is a shame that
462 it needs to be adjusted because someone else might make trouble.
464 But we can automate the adjustment, using the monadic machinery we introduced above.
465 As we said, there needs to be different `>>=`, `map2` and so on operations for each
466 monad or box type we're working with.
467 Haskell finesses this by "overloading" the single symbol `>>=`; you can just input that
468 symbol and it will calculate from the context of the surrounding type constraints what
469 monad you must have meant. In OCaml, the monadic operators are not pre-defined, but we will
470 give you a library that has definitions for all the standard monads, as in Haskell.
471 For now, though, we will define our `>>=` and `map2` operations by hand:
473 <pre>
474 let (>>=) (u : 'a option) (j : 'a -> 'b option) : 'b option =
475   match u with
476     | None -> None
477     | Some x -> j x;;
479 let map2 (f : 'a -> 'b -> 'c) (u : 'a option) (v : 'b option) : 'c option =
480   u >>= (fun x -> v >>= (fun y -> Some (f x y)));;
482 let safe_add3 = map2 (+);;    (* that was easy *)
484 let safe_div3 (u: int option) (v: int option) =
485   u >>= (fun x -> v >>= (fun y -> if 0 = y then None else Some (x / y)));;
486 </pre>
488 Haskell has an even more user-friendly notation for defining `safe_div3`, namely:
490     safe_div3 :: Maybe Int -> Maybe Int -> Maybe Int
491     safe_div3 u v = do {x <- u;
492                         y <- v;
493                         if 0 == y then Nothing else Just (x `div` y)}
495 Let's see our new functions in action:
497 <pre>
498 (*
499 # safe_div3 (safe_div3 (Some 12) (Some 2)) (Some 3);;
500 - : int option = Some 2
501 #  safe_div3 (safe_div3 (Some 12) (Some 0)) (Some 3);;
502 - : int option = None
503 # safe_add3 (safe_div3 (Some 12) (Some 0)) (Some 3);;
504 - : int option = None
505 *)
506 </pre>
508 Compare the new definitions of `safe_add3` and `safe_div3` closely: the definition
509 for `safe_add3` shows what it looks like to equip an ordinary operation to
510 survive in dangerous presupposition-filled world. Note that the new
511 definition of `safe_add3` does not need to test whether its arguments are
512 `None` values or real numbers---those details are hidden inside of the
513 `bind` function.
515 Note also that our definition of `safe_div3` recovers some of the simplicity of
516 the original `safe_div`, without the complexity introduced by `safe_div2`. We now
517 add exactly what extra is needed to track the no-division-by-zero presupposition. Here, too, we don't
518 need to keep track of what other presuppositions may have already failed
519 for whatever reason on our inputs.
521 (Linguistics note: Dividing by zero is supposed to feel like a kind of
522 presupposition failure. If we wanted to adapt this approach to
523 building a simple account of presupposition projection, we would have
524 to do several things. First, we would have to make use of the
525 polymorphism of the `option` type. In the arithmetic example, we only
526 made use of `int option`s, but when we're composing natural language
527 expression meanings, we'll need to use types like `N option`, `Det option`,
528 `VP option`, and so on. But that works automatically, because we can use
529 any type for the `'a` in `'a option`. Ultimately, we'd want to have a
530 theory of accommodation, and a theory of the situations in which
531 material within the sentence can satisfy presuppositions for other
532 material that otherwise would trigger a presupposition violation; but,
533 not surprisingly, these refinements will require some more
534 sophisticated techniques than the super-simple Option/Maybe monad.)