20f33b324bf31e43897da52f7462eec91324eb12
[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 to give a truth-table like this for "and":
58
59 <pre><code>
60 true and true   = true
61 true and true   = true
62 true and *      = *
63 true and false  = false
64 * and true      = *
65 * and *         = *
66 * and false     = *
67 false and true  = false
68 false and *     = false
69 false and false = false
70 </code></pre>
71
72 And then we'd notice that `* and false` has a different intepretation than `false and *`. (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.)
73
74 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:
75
76         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
77
78 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.
79
80         x := 2
81         x := x + 1
82         x == 3
83
84 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
85
86         x := x + 1
87         x := 2
88         x == 3
89
90 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
91
92 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
93 sense such that only so matters in imperatival languages.
94
95 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
96
97 *       dynamic versus static typing
98
99 *       dynamic versus lexical scoping
100
101 *       dynamic versus static control operators
102
103 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
104
105 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.
106
107 Map
108 ===
109
110 <table>
111 <tr>
112 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
113 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
114 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
115 Scheme (imperative part)<br>
116 OCaml (imperative part)</td>
117 <tr>
118 <td width=30%>lambda calculus<br>
119 combinatorial logic</td>
120 <tr>
121 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
122 <tr>
123 <td width=30%>&nbsp;
124 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
125 <td width=30%>&nbsp;
126 <tr>
127 <td width=30%>&nbsp;
128 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
129 <td width=30%>&nbsp;
130 </table>
131
132
133 Rosetta Stone
134 =============
135
136 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
137
138 1.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
139
140         In Scheme:
141
142                 (let* ((three 3))
143                           (let ((two 2))
144                                    (+ three two)))
145
146         In OCaml:
147
148                 let three = 3 in
149                         let two = 2 in
150                                 three + two
151
152         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:
153
154                 let three = 3 in
155                         let two = 2 in
156                                 ( + ) three two
157
158         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.
159
160         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
161
162                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
163         
164         In an ordinary imperatival language like C:
165
166                 int three = 3;
167                 int two = 2;
168                 three + two;
169
170 2.      Mutation
171
172         In C this looks almost the same as what we had before:
173
174                 int x = 3;
175                 x = 2;
176
177         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
178
179         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
180
181                 (let ((x (box 3)))
182                          (set-box! x 2))
183
184         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.
185
186         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
187
188                 let x = ref 3 in
189                         x := 2
190
191         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.
192
193         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.
194
195
196
197
198
199 3.      Anonymous functions
200
201         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.
202
203         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.
204
205         In the lambda calculus:
206
207                 (\x M)
208
209         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
210
211                 ((\y N) (\x M))
212
213         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
214
215         In Scheme, the same thing is written:
216
217                 (lambda (x) M)
218
219         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:
220
221                 (lambda (x) (+ 3 x))
222
223         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.
224
225         In OCaml, we write our anonymous function like this:
226
227                 fun x -> (3 + x)
228
229         or:
230
231                 fun x -> (( + ) 3 x)
232
233         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:
234
235                 fun x -> ( + ) 3 x
236
237         or:
238
239                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
240
241         As we saw above, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
242
243 4.      Supplying an argument to an anonymous function
244
245         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:
246
247                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
248
249         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
250
251         In OCaml:
252
253                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
254
255
256 5.      Binding variables to values with "let"
257
258         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
259
260                 (let* ((three 3))
261                           (let ((two 2))
262                                    (+ three two)))
263
264         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:
265
266                 (let* ((three 3) (two 2))
267                           (+ three two))
268
269         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:
270
271                 (let* ((three 3))
272                           (let ((two 2))
273                                    (+ three two)))
274
275         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 `(...)`.
276
277         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
278
279                 (let* [(three (+ 1 2))]
280                           (let [(two 2)]
281                                    (+ three two)))
282         
283         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.
284
285         Repeating our starting point for reference:
286
287                 (let* [(three 3)]
288                           (let [(two 2)]
289                                    (+ three two)))
290
291         Recall in OCaml this same computation was written:
292
293                 let three = 3 in
294                         let two = 2 in
295                                 ( + ) three two
296
297 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
298
299         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
300
301                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
302
303         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
304
305                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
306
307         Read this several times until you understand it.
308
309 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
310
311         In Scheme:
312
313                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
314
315         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)`.
316
317         Similarly, in OCaml:
318
319                 let bar = fun x -> B in
320                         M
321
322         This in Scheme:
323
324                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
325
326         as we've said, means the same as:
327
328                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
329
330         which, as we'll see, is equivalent to:
331
332                 ((lambda (x) B) A)
333
334         and that means the same as:
335
336                 (let* [(x A)] B)
337
338         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
339
340         Similarly, this in OCaml:
341
342                 let bar = fun x -> B in
343                         bar A
344
345         is equivalent to:
346
347                 (fun x -> B) A
348
349         and that means the same as:
350
351                 let x = A in
352                         B
353
354 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
355
356         What if you want to do something like this, in Scheme?
357
358                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
359
360         or this, in OCaml:
361
362                 let x = A in
363                         ... for the rest of the file or interactive session ...
364
365         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
366
367                 (define x A)
368                 ... rest of the file or interactive session ...
369
370         In OCaml it's written like this:
371
372                 let x = A;;
373                 ... rest of the file or interactive session ...
374
375         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.)
376
377
378 9.      Some shorthand
379
380         OCaml permits you to abbreviate:
381
382                 let bar = fun x -> B in
383                         M
384
385         as:
386
387                 let bar x = B in
388                         M
389
390         It also permits you to abbreviate:
391
392                 let bar = fun x -> B;;
393
394         as:
395
396                 let bar x = B;;
397
398         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
399
400                 (define bar (lambda (x) B))
401
402         as:
403
404                 (define (bar x) B)
405
406         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
407
408         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
409
410                 (define (bar x) B)
411
412         just means:
413
414                 (define bar (lambda (x) B))
415
416         which just means:
417
418                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
419
420         which just means:
421
422                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
423
424         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
425
426
427 10.     Shadowing
428
429         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
430
431                 let x = 3 in
432                         let x = 2 in
433                                 x
434
435         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:
436
437                 int x = 3;
438                 x = 2;
439         
440         <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.
441
442         The OCaml expression just means:
443
444                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
445
446         and there's no more mutation going on there than there is in:
447
448         <pre>
449         <code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))</code>
450         </pre>
451
452         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.
453
454
455 Some more comparisons between Scheme and OCaml
456 ----------------------------------------------
457
458 11.     Simple predefined values
459
460         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
461         In OCaml: `2`, `3`
462
463         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
464         In OCaml: `true`, `false`
465
466         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
467         In OCaml: `'h'`
468
469 12.     Compound values
470
471         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
472
473         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)`  
474         In OCaml: `(2, 3)`
475
476         Lists in Scheme: `'(2 3)`  
477         In OCaml: `[2; 3]`  
478         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
479
480         The empty list, in Scheme: `'()`  
481         In OCaml: `[]`
482
483         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
484         In OCaml: `"h"`
485
486         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
487         In OCaml: `"horse"`
488
489         A shorter string, in Scheme: `""`  
490         In OCaml: `""`
491
492 13.     Function application
493
494         Binary functions in OCaml: `foo 2 3`
495         
496         Or: `( + ) 2 3`
497
498         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.
499
500         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.
501
502         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.
503
504
505 What "sequencing" is and isn't
506 ------------------------------
507
508 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.
509
510 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
511
512 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,
513
514 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.
515
516 Third, the kinds of bindings we see in:
517
518         (define foo A)
519         (foo 2)
520
521 Or even:
522
523         (define foo A)
524         (define foo B)
525         (foo 2)
526
527 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.
528
529 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
530
531         (begin A B C)
532
533 In OCaml it looks like this:
534
535         begin A; B; C end
536
537 Or this:
538
539         (A; B; C)
540
541 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
542
543         (begin (print "under") (print "water"))
544         
545         (begin (print "water") (print "under"))
546
547 And so too these:
548
549         begin x := 3; x := 2; x end
550
551         begin x := 2; x := 3; x end
552
553 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
554
555         begin A; B; C end
556
557 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
558
559         begin A; B; C end
560
561 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.
562
563 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
564
565
566
567 Basics of Lambda Calculus
568 =========================
569
570 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.)
571
572 Here is its syntax:
573
574 <blockquote>
575 <strong>Variables</strong>: <code>x</code>, <code>y</code>, <code>z</code>...
576 </blockquote>
577
578 Each variable is an expression. For any expressions M and N and variable a, the following are also expressions:
579
580 <blockquote>
581 <strong>Abstract</strong>: <code>(&lambda;a M)</code>
582 </blockquote>
583
584 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)`.
585
586 <blockquote>
587 <strong>Application</strong>: <code>(M N)</code>
588 </blockquote>
589
590 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.
591
592 Examples of expressions:
593
594         x
595         (y x)
596         (x x)
597         (\x y)
598         (\x x)
599         (\x (\y x))
600         (x (\x x))
601         ((\x (x x)) (\x (x x)))
602
603 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:
604
605         ((\a M) N)
606
607 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**.
608
609 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
610
611         M [a:=N]
612
613 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
614
615 What is a free occurrence?
616
617 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
618
619 >       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`.
620
621 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
622
623 For instance:
624
625
626 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
627
628 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.
629
630 Here's an example of beta-reduction:
631
632         ((\x (y x)) z)
633
634 beta-reduces to:
635
636         (y z)
637
638 We'll write that like this:
639
640         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
641
642 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:
643
644         M ~~> N
645
646 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>.
647
648 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:
649
650         M <~~> N
651
652 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.)
653
654 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:
655
656 >       T is defined to be `(M N)`.
657
658 We'll regard the following two expressions:
659
660         (\x (x y))
661
662         (\z (z y))
663
664 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.
665
666 Note that neither of those expressions are identical to:
667
668         (\x (x w))
669
670 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
671
672         (\y (y y))
673
674 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
675
676 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.
677
678
679 Shorthand
680 ---------
681
682 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.)
683
684
685 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
686 paren as far the right as possible without creating unbalanced
687 parentheses". So:
688
689         (\x (\y (x y)))
690
691 can be abbreviated as:
692
693         (\x (\y. x y))
694
695 and:
696
697         (\x (\y. (z y) z))
698
699 would abbreviate:
700
701         (\x (\y ((z y) z)))
702
703 This on the other hand:
704
705         (\x (\y. z y) z)
706
707 would abbreviate:
708
709         (\x (\y (z y)) z)
710
711 **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:
712
713         (\x. x y)
714
715 as:
716
717         \x. x y
718
719 but you should include the parentheses in:
720
721         (\x. x y) z
722
723 and:
724
725         z (\x. x y)
726
727 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
728
729         (\x y. M)
730
731 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
732
733         (\x y z. M)
734
735
736 Lambda terms represent functions
737 --------------------------------
738
739 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
740 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
741
742 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
743 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
744
745 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
746 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
747
748 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
749 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
750
751 and so on.
752
753 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
754 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
755
756         (\x x)
757
758 and:
759
760         (\z z)
761
762 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:
763
764         (\y x. y x) (\z z)
765
766         (\x. (\z z) x)
767
768         (\z z)
769
770 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.
771
772 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.
773
774 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).
775
776
777
778 Booleans and pairs
779 ==================
780
781 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
782
783
784 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
785 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
786 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
787 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
788 proposed answers to the assignment.
789
790
791
792
793
794 1.      Declarative vs imperatival models of computation.
795 2.      Variety of ways in which "order can matter."
796 3.      Variety of meanings for "dynamic."
797 4.      Schoenfinkel, Curry, Church: a brief history
798 5.      Functions as "first-class values"
799 6.      "Curried" functions
800
801 1.      Beta reduction
802 1.      Encoding pairs (and triples and ...)
803 1.      Encoding booleans
804
805
806
807
808