09ad8bd1680b95223a6944d113a23d414e5ca44b
[lambda.git] / week1.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
37
38 Declarative/functional vs Imperatival/dynamic models of computation
39 ===================================================================
40
41 Many of you, like us, will have grown up thinking the paradigm of computation is a sequence of changes. Let go of that. It will take some care to separate the operative notion of "sequencing" here from other notions close to it, but once that's done, you'll see that languages that have no significant notions of sequencing or changes are Turing complete: they can perform any computation we know how to describe. In itself, that only puts them on equal footing with more mainstream, imperatival programming languages like C and Java and Python, which are also Turing complete. But further, the languages we want you to become familiar with can reasonably be understood to be more fundamental. They embody the elemental building blocks that computer scientists use when reasoning about and designing other languages.
42
43 Jim offered the metaphor: think of imperatival languages, which include "mutation" and "side-effects" (we'll flesh out these keywords as we proceeed), as the pâté of computation. We want to teach you about the meat and potatoes, where as it turns out there is no sequencing and no changes. There's just the evaluation or simplification of complex expressions.
44
45 Now, when you ask the Scheme interpreter to simplify an expression for you, that's a kind of dynamic interaction between you and the interpreter. You may wonder then why these languages should not also be understood imperatively. The difference is that in a purely declarative or functional language, there are no dynamic effects in the language itself. It's just a static semantic fact about the language that one expression reduces to another. You may have verified that fact through your dynamic interactions with the Scheme interpreter, but that's different from saying that there are dynamic effects in the language itself.
46
47 What the latter would amount to will become clearer as we build our way up to languages which are genuinely imperatival or dynamic.
48
49 Many of the slogans and keywords we'll encounter in discussions of these issues call for careful interpretation. They mean various different things.
50
51 For example, you'll encounter the claim that declarative languages are distinguished by their **referential transparency.** What's meant by this is not always exactly the same, and as a cluster, it's related to but not the same as this means for philosophers and linguists.
52
53 The notion of **function** that we'll be working with will be one that, by default, sometimes counts as non-identical functions that map all their inputs to the very same outputs. For example, two functions from jumbled decks of cards to sorted decks of cards may use different algorithms and hence be different functions.
54
55 It's possible to enhance the lambda calculus so that functions do get identified when they map all the same inputs to the same outputs. This is called making the calculus **extensional**. Church called languages which didn't do this **intensional**. If you try to understand that kind of "intensionality" in terms of functions from worlds to extensions (an idea also associated with Church), you may hurt yourself. So too if you try to understand it in terms of mental stereotypes, another notion sometimes designated by "intension."
56
57 It's often said that dynamic systems are distinguished because they are the ones in which **order matters**. However, there are many ways in which order can matter. If we have a trivalent boolean system, for example---easily had in a purely functional calculus---we might choose  TODO
58
59 And then we'd notice that <code>* and false</code> has a different intepretation than <code>false and *</code>. (The same phenomenon is already present with the material conditional in bivalent logics; but seeing that a non-symmetric semantics for `and` is available even for functional languages is instructive.)
60
61 Another way in which order can matter that's present even in functional languages is that the interpretation of some complex expressions can depend on the order in which sub-expressions are evaluated. Evaluated in one order, the computations might never terminate (and so semantically we interpret them as having "the bottom value"---we'll discuss this). Evaluated in another order, they might have a perfectly mundane value. Here's an example, though we'll reserve discussion of it until later:
62
63         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
64
65 Again, these facts are all part of the metatheory of purely functional languages. But *there is* a different sense of "order matters" such that it's only in imperatival languages that order so matters.
66
67         x := 2
68         x := x + 1
69         x == 3
70
71 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
72
73         x := x + 1
74         x := 2
75         x == 3
76
77 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
78
79 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
80 sense such that only so matters in imperatival languages.
81
82 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
83
84 *       dynamic versus static typing
85
86 *       dynamic versus lexical scoping
87
88 *       dynamic versus static control operators
89
90 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
91
92 For the most part, these uses are only loosely connected to each other. We'll tend to use "imperatival" to describe the kinds of semantic properties made available in dynamic semantics, languages which have robust notions of sequencing changes, and so on.
93
94 Map
95 ===
96
97 <table>
98 <tr>
99 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
100 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
101 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
102 Scheme (imperative part)<br>
103 OCaml (imperative part)</td>
104 <tr>
105 <td width=30%>lambda calculus<br>
106 combinatorial logic</td>
107 <tr>
108 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
109 <tr>
110 <td width=30%>&nbsp;
111 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
112 <td width=30%>&nbsp;
113 <tr>
114 <td width=30%>&nbsp;
115 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
116 <td width=30%>&nbsp;
117 </table>
118
119
120 Rosetta Stone
121 =============
122
123 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
124
125 1.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
126
127         In Scheme:
128
129                 (let* ((three 3))
130                           (let ((two 2))
131                                    (+ three two)))
132
133         In OCaml:
134
135                 let three = 3 in
136                         let two = 2 in
137                                 three + two
138
139         Notice OCaml lets you write the `+` in between the `three` and `two`, as you're accustomed to. However most functions need to come leftmost, even if they're binary. And you can do this with `+` too, if you enclose it in parentheses so that the OCaml parser doesn't get confused by your syntax:
140
141                 let three = 3 in
142                         let two = 2 in
143                                 ( + ) three two
144
145         In the lambda calculus: here we're on our own, we don't have predefined constants like `+` and `3` and `2` to work with. We've got to build up everything from scratch. We'll be seeing how to do that over the next weeks.
146
147         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
148
149                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
150         
151         In an ordinary imperatival language like C:
152
153                 int three = 3;
154                 int two = 2;
155                 three + two;
156
157 2.      Mutation
158
159         In C this looks almost the same as what we had before:
160
161                 int x = 3;
162                 x = 2;
163
164         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
165
166         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
167
168                 (let ((x (box 3)))
169                          (set-box! x 2))
170
171         In general, mutating operations in Scheme are named with a trailing `!`. There are other imperatival constructions, though, like `(print ...)`, that don't follow that convention.
172
173         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
174
175                 let x = ref 3 in
176                         x := 2
177
178         Of course you don't need to remember any of this syntax. We're just illustrating it so that you see that in Scheme and OCaml it looks somewhat different than we had above. The difference is much more obvious than it is in C.
179
180         In the lambda calculus: sorry, you can't do mutation. At least, not natively. Later in the term we'll be learning how in fact, really, you can embed mutation inside the lambda calculus even though the lambda calculus has no primitive facilities for mutation.
181
182
183
184
185
186 3.      Anonymous functions
187
188         Functions are "first-class values" in the lambda calculus, in Scheme, and in OCaml. What that means is that they can be arguments to other functions. They can be the results of the application of other functions to some arguments. They can be stored in data structures. And so on.
189
190         First, we'll show what "anonymous" functions look like. These are functions that have not been bound as values to any variables. That is, there are no variables whose value they are.
191
192         In the lambda calculus:
193
194                 (\x M)
195
196         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
197
198                 ((\y N) (\x M))
199
200         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
201
202         In Scheme, the same thing is written:
203
204                 (lambda (x) M)
205
206         Not very different, right? For example, if `M` stands for `(+ 3 x)`, then this is an anonymous function that adds 3 to whatever argument it's given:
207
208                 (lambda (x) (+ 3 x))
209
210         Scheme uses a lot of parentheses, and they are always significant, never optional. In `(+ 3 x)` the parentheses mean "apply the function `+` to the arguments `3` and `x`. In `(lambda (x) ...)` the parentheses have a different meaning: they mark where the anonymous function you're defining begins and ends, and so on. As you'll see, parentheses have yet further roles in Scheme. I know it's confusing.
211
212         In OCaml, we write our anonymous function like this:
213
214                 fun x -> (3 + x)
215
216         or:
217
218                 fun x -> (( + ) 3 x)
219
220         In OCaml, parentheses only serve a grouping function and they often can be omitted. Or more could be added. For instance, we could equally well say:
221
222                 fun x -> ( + ) 3 x
223
224         or:
225
226                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
227
228         As we saw above, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
229
230 4.      Supplying an argument to an anonymous function
231
232         Just because the functions we built aren't named doesn't mean we can't do anything with them. We can give them arguments. For example, in Scheme we can say:
233
234                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
235
236         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
237
238         In OCaml:
239
240                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
241
242
243 5.      Binding variables to values with "let"
244
245         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
246
247                 (let* ((three 3))
248                           (let ((two 2))
249                                    (+ three two)))
250
251         Scheme also has a simple `let` (without the ` *`), and it permits you to group several variable bindings together in a single `let`- or `let*`-statement, like this:
252
253                 (let* ((three 3) (two 2))
254                           (+ three two))
255
256         Often you'll get the same results whether you use `let*` or `let`. However, there are cases where it makes a difference, and in those cases, `let*` behaves more like you'd expect. So you should just get into the habit of consistently using that. It's also good discipline for this seminar, especially while you're learning, to write things out the longer way, like this:
257
258                 (let* ((three 3))
259                           (let ((two 2))
260                                    (+ three two)))
261
262         However, here you've got the double parentheses in `(let* ((three 3)) ...)`. They're doubled because the syntax permits more assignments than just the assignment of the value `3` to the variable `three`. Myself I tend to use `[` and `]` for the outer of these parentheses: `(let* [(three 3)] ...)`. Scheme can be configured to parse `[...]` as if they're just more `(...)`.
263
264         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
265
266                 (let* [(three (+ 1 2))]
267                           (let [(two 2)]
268                                    (+ three two)))
269         
270         The question also came up whether the `(+ 1 2)` computation would be performed before or after it was bound to the variable `three`. That's a terrific question. Let's say this: both strategies could be reasonable designs for a language. We are going to discuss this carefully in coming weeks. In fact Scheme and OCaml make the same design choice. But you should think of the underlying form of the `let`-statement as not settling this by itself.
271
272         Repeating our starting point for reference:
273
274                 (let* [(three 3)]
275                           (let [(two 2)]
276                                    (+ three two)))
277
278         Recall in OCaml this same computation was written:
279
280                 let three = 3 in
281                         let two = 2 in
282                                 ( + ) three two
283
284 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
285
286         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
287
288                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
289
290         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
291
292                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
293
294         Read this several times until you understand it.
295
296 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
297
298         In Scheme:
299
300                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
301
302         then wherever `bar` occurs in `M` (and isn't rebound by a more local "let" or "lambda"), it will be interpreted as the function `(lambda (x) B)`.
303
304         Similarly, in OCaml:
305
306                 let bar = fun x -> B in
307                         M
308
309         This in Scheme:
310
311                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
312
313         as we've said, means the same as:
314
315                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
316
317         which, as we'll see, is equivalent to:
318
319                 ((lambda (x) B) A)
320
321         and that means the same as:
322
323                 (let* [(x A)] B)
324
325         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
326
327         Similarly, this in OCaml:
328
329                 let bar = fun x -> B in
330                         bar A
331
332         is equivalent to:
333
334                 (fun x -> B) A
335
336         and that means the same as:
337
338                 let x = A in
339                         B
340
341 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
342
343         What if you want to do something like this, in Scheme?
344
345                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
346
347         or this, in OCaml:
348
349                 let x = A in
350                         ... for the rest of the file or interactive session ...
351
352         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
353
354                 (define x A)
355                 ... rest of the file or interactive session ...
356
357         In OCaml it's written like this:
358
359                 let x = A;;
360                 ... rest of the file or interactive session ...
361
362         It's easy to be lulled into thinking this is a kind of imperative construction. *But it's not!* It's really just a shorthand for the compound "let"-expressions we've already been looking at, taking the maximum syntactically permissible scope. (Compare the "dot" convention in the lambda calculus, discussed above.)
363
364
365 9.      Some shorthand
366
367         OCaml permits you to abbreviate:
368
369                 let bar = fun x -> B in
370                         M
371
372         as:
373
374                 let bar x = B in
375                         M
376
377         It also permits you to abbreviate:
378
379                 let bar = fun x -> B;;
380
381         as:
382
383                 let bar x = B;;
384
385         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
386
387                 (define bar (lambda (x) B))
388
389         as:
390
391                 (define (bar x) B)
392
393         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
394
395         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
396
397                 (define (bar x) B)
398
399         just means:
400
401                 (define bar (lambda (x) B))
402
403         which just means:
404
405                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
406
407         which just means:
408
409                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
410
411         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
412
413
414 10.     Shadowing
415
416         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
417
418                 let x = 3 in
419                         let x = 2 in
420                                 x
421
422         will evaluate to 2, not to 3. It's easy to be lulled into thinking this is the same as what happens when we say in C:
423
424                 int x = 3;
425                 x = 2;
426         
427         <em>but it's not the same!</em> In the latter case we have mutation, in the former case we don't. You will learn to recognize the difference as we proceed.
428
429         The OCaml expression just means:
430
431                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
432
433         and there's no more mutation going on there than there is in:
434
435         <pre>
436         <code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))</code>
437         </pre>
438
439         When a previously-bound variable is rebound in the way we see here, that's called **shadowing**: the outer binding is shadowed during the scope of the inner binding.
440
441
442 Some more comparisons between Scheme and OCaml
443 ----------------------------------------------
444
445 11.     Simple predefined values
446
447         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
448         In OCaml: `2`, `3`
449
450         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
451         In OCaml: `true`, `false`
452
453         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
454         In OCaml: `'h'`
455
456 12.     Compound values
457
458         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
459
460         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)`  
461         In OCaml: `(2, 3)`
462
463         Lists in Scheme: `'(2 3)`  
464         In OCaml: `[2; 3]`  
465         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
466
467         The empty list, in Scheme: `'()`  
468         In OCaml: `[]`
469
470         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
471         In OCaml: `"h"`
472
473         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
474         In OCaml: `"horse"`
475
476         A shorter string, in Scheme: `""`  
477         In OCaml: `""`
478
479 13.     Function application
480
481         Binary functions in OCaml: `foo 2 3`
482         
483         Or: `( + ) 2 3`
484
485         These are the same as: `((foo 2) 3)`. In other words, functions in OCaml are "curried". `foo 2` returns a `2`-fooer, which waits for an argument like `3` and then foos `2` to it. `( + ) 2` returns a `2`-adder, which waits for an argument like `3` and then adds `2` to it.
486
487         In Scheme, on the other hand, there's a difference between `((foo 2) 3)` and `(foo 2 3)`. Scheme distinguishes between unary functions that return unary functions and binary functions. For our seminar purposes, it will be easiest if you confine yourself to unary functions in Scheme as much as possible.
488
489         Additionally, as said above, Scheme is very sensitive to parentheses and whenever you want a function applied to any number of arguments, you need to wrap the function and its arguments in a parentheses.
490
491
492 What "sequencing" is and isn't
493 ------------------------------
494
495 We mentioned before the idea that computation is a sequencing of some changes. I said we'd be discussing (fragments of, and in some cases, entire) languages that have no native notion of change.
496
497 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
498
499 First off, the mere concatenation of expressions isn't what we mean by sequencing. Concatenation of expressions is how you build syntactically complex expressions out of simpler ones. The complex expressions often express a computation where a function is applied to one (or more) arguments,
500
501 Second, the kind of rebinding we called "shadowing" doesn't involve any changes or sequencing. All the precedence facts about that kind of rebinding are just consequences of the compound syntactic structures in which it occurs.
502
503 Third, the kinds of bindings we see in:
504
505         (define foo A)
506         (foo 2)
507
508 Or even:
509
510         (define foo A)
511         (define foo B)
512         (foo 2)
513
514 don't involve any changes or sequencing in the sense we're trying to identify. As we said, these programs are just syntactic variants of (single) compound syntactic structures involving "let"s and "lambda"s.
515
516 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
517
518         (begin A B C)
519
520 In OCaml it looks like this:
521
522         begin A; B; C end
523
524 Or this:
525
526         (A; B; C)
527
528 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
529
530         (begin (print "under") (print "water"))
531         
532         (begin (print "water") (print "under"))
533
534 And so too these:
535
536         begin x := 3; x := 2; x end
537
538         begin x := 2; x := 3; x end
539
540 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
541
542         begin A; B; C end
543
544 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
545
546         begin A; B; C end
547
548 contributes no more to a larger context in which it's embedded than C does. This is the sense in which functional languages have no serious notion of sequencing.
549
550 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
551
552
553
554 Basics of Lambda Calculus
555 =========================
556
557 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.)
558
559 Here is its syntax:
560
561 <blockquote>
562 <strong>Variables</strong>: <code>x</code>, <code>y</code>, <code>z</code>...
563 </blockquote>
564
565 Each variable is an expression. For any expressions M and N and variable a, the following are also expressions:
566
567 <blockquote>
568 <strong>Abstract</strong>: <code>(&lambda;a M)</code>
569 </blockquote>
570
571 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)`.
572
573 <blockquote>
574 <strong>Application</strong>: <code>(M N)</code>
575 </blockquote>
576
577 Some authors reserve the term "term" for just variables and abstracts. We won't participate in that convention; we'll probably just say "term" and "expression" indiscriminately for expressions of any of these three forms.
578
579 Examples of expressions:
580
581         x
582         (y x)
583         (x x)
584         (\x y)
585         (\x x)
586         (\x (\y x))
587         (x (\x x))
588         ((\x (x x)) (\x (x x)))
589
590 The lambda calculus has an associated proof theory. For now, we can regard the proof theory as having just one rule, called the rule of **beta-reduction** or "beta-contraction". Suppose you have some expression of the form:
591
592         ((\a M) N)
593
594 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**.
595
596 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
597
598         M [a:=N]
599
600 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
601
602 What is a free occurrence?
603
604 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
605
606 >       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`.
607
608 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
609
610 For instance:
611
612
613 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
614
615 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.
616
617 Here's an example of beta-reduction:
618
619         ((\x (y x)) z)
620
621 beta-reduces to:
622
623         (y z)
624
625 We'll write that like this:
626
627         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
628
629 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:
630
631         M ~~> N
632
633 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>.
634
635 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:
636
637         M <~~> N
638
639 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.)
640
641 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:
642
643 >       T is defined to be `(M N)`.
644
645 We'll regard the following two expressions:
646
647         (\x (x y))
648
649         (\z (z y))
650
651 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.
652
653 Note that neither of those expressions are identical to:
654
655         (\x (x w))
656
657 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
658
659         (\y (y y))
660
661 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
662
663 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.
664
665
666 Shorthand
667 ---------
668
669 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.)
670
671
672 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
673 paren as far the right as possible without creating unbalanced
674 parentheses". So:
675
676         (\x (\y (x y)))
677
678 can be abbreviated as:
679
680         (\x (\y. x y))
681
682 and:
683
684         (\x (\y. (z y) z))
685
686 would abbreviate:
687
688         (\x (\y ((z y) z)))
689
690 This on the other hand:
691
692         (\x (\y. z y) z)
693
694 would abbreviate:
695
696         (\x (\y (z y)) z)
697
698 **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:
699
700         (\x. x y)
701
702 as:
703
704         \x. x y
705
706 but you should include the parentheses in:
707
708         (\x. x y) z
709
710 and:
711
712         z (\x. x y)
713
714 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
715
716         (\x y. M)
717
718 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
719
720         (\x y z. M)
721
722
723 Lambda terms represent functions
724 --------------------------------
725
726 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
727 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
728
729 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
730 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
731
732 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
733 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
734
735 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
736 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
737
738 and so on.
739
740 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
741 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
742
743         (\x x)
744
745 and:
746
747         (\z z)
748
749 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:
750
751         (\y x. y x) (\z z)
752
753         (\x. (\z z) x)
754
755         (\z z)
756
757 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.
758
759 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.
760
761 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).
762
763
764
765 Booleans and pairs
766 ==================
767
768 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
769
770
771 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
772 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
773 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
774 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
775 proposed answers to the assignment.
776
777
778
779
780
781 1.      Declarative vs imperatival models of computation.
782 2.      Variety of ways in which "order can matter."
783 3.      Variety of meanings for "dynamic."
784 4.      Schoenfinkel, Curry, Church: a brief history
785 5.      Functions as "first-class values"
786 6.      "Curried" functions
787
788 1.      Beta reduction
789 1.      Encoding pairs (and triples and ...)
790 1.      Encoding booleans
791
792
793
794
795