21c918098c3d83d1c7f1e981d1324839a5f2f26e
[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. This present page expands on *a lot*, and some of this material will be reviewed next week.
4
5 [Linguistic and Philosophical Applications of the Tools We'll be Studying](/applications)
6 ==========================================================================
7
8 [Explanation of the "Damn" example shown in class](/damn)
9
10 Basics of Lambda Calculus
11 =========================
12
13 See also:
14
15 *       [Chris Barker's Lambda Tutorial](http://homepages.nyu.edu/~cb125/Lambda)
16 *       [Lambda Animator](http://thyer.name/lambda-animator/)
17 *       MORE
18
19 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.)
20
21 Here is its syntax:
22
23 <blockquote>
24 <strong>Variables</strong>: <code>x</code>, <code>y</code>, <code>z</code>...
25 </blockquote>
26
27 Each variable is an expression. For any expressions M and N and variable a, the following are also expressions:
28
29 <blockquote>
30 <strong>Abstract</strong>: <code>(&lambda;a M)</code>
31 </blockquote>
32
33 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)`.
34
35 <blockquote>
36 <strong>Application</strong>: <code>(M N)</code>
37 </blockquote>
38
39 Some authors reserve the term "term" for just variables and abstracts. We'll probably just say "term" and "expression" indiscriminately for expressions of any of these three forms.
40
41 Examples of expressions:
42
43         x
44         (y x)
45         (x x)
46         (\x y)
47         (\x x)
48         (\x (\y x))
49         (x (\x x))
50         ((\x (x x)) (\x (x x)))
51
52 The lambda calculus has an associated proof theory. For now, we can regard the
53 proof theory as having just one rule, called the rule of **beta-reduction** or
54 "beta-contraction". Suppose you have some expression of the form:
55
56         ((\a M) N)
57
58 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**.
59
60 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
61
62         M [a:=N]
63
64 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
65
66 What is a free occurrence?
67
68 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
69
70 >       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`.
71
72 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
73
74 For instance:
75
76
77 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
78
79 The first occurrence of `x` in T is free.  The `\x` we won't regard as containing 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.
80
81 Here's an example of beta-reduction:
82
83         ((\x (y x)) z)
84
85 beta-reduces to:
86
87         (y z)
88
89 We'll write that like this:
90
91         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
92
93 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:
94
95         M ~~> N
96
97 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>.
98
99 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:
100
101         M <~~> N
102
103 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.)
104
105 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 the metatheory. Instead we'll use `<~~>` as we said above. When we want to introduce a stipulative definition, we'll write it out longhand, as in:
106
107 >       T is defined to be `(M N)`.
108
109 We'll regard the following two expressions:
110
111         (\x (x y))
112
113         (\z (z y))
114
115 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.
116
117 Note that neither of those expressions are identical to:
118
119         (\x (x w))
120
121 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
122
123         (\y (y y))
124
125 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
126
127 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.
128
129 *       MORE
130
131
132 Shorthand
133 ---------
134
135 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.)
136
137
138 **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:
139
140         (\x (x y))
141
142 as:
143
144         \x (x y)
145
146 but you should include the parentheses in:
147
148         (\x (x y)) z
149
150 and:
151
152         z (\x (x y))
153
154
155 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
156 paren as far the right as possible without creating unbalanced
157 parentheses". So:
158
159         \x (\y (x y))
160
161 can be abbreviated as:
162
163         \x (\y. x y)
164
165 and that as:
166
167         \x. \y. x y
168
169 This:
170
171         \x. \y. (x y) x
172
173 abbreviates:
174
175         \x (\y ((x y) x))
176
177 This on the other hand:
178
179         (\x. \y. (x y)) x
180
181 abbreviates:
182
183         ((\x (\y (x y))) x)
184
185
186 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
187
188         (\x y. M)
189
190 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
191
192         (\x y z. M)
193
194
195 Lambda terms represent functions
196 --------------------------------
197
198 The untyped lambda calculus is Turing complete: all (recursively computable) functions can be represented by lambda terms. For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
199
200 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
201 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
202
203 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
204 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
205
206 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
207 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
208
209 and so on.
210
211 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
212 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
213
214         (\x x)
215
216 and:
217
218         (\z z)
219
220 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:
221
222         (\y x. y x) (\z z)
223
224         (\x. (\z z) x)
225
226         (\z z)
227
228 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.
229
230 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.
231
232 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 many 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).
233
234
235
236 Booleans and pairs
237 ==================
238
239 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
240
241
242 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
243 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
244 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
245 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
246 proposed answers to the assignment.
247
248
249 There's also a (slow, bare-bones, but perfectly adequate) version of Scheme available for online use at <http://tryscheme.sourceforge.net/>.
250
251
252
253 Declarative/functional vs Imperatival/dynamic models of computation
254 ===================================================================
255
256 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.
257
258 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 p&acirc;t&eacute; 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.
259
260 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.
261
262 What the latter would amount to will become clearer as we build our way up to languages which are genuinely imperatival or dynamic.
263
264 Many of the slogans and keywords we'll encounter in discussions of these issues call for careful interpretation. They mean various different things.
265
266 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.
267
268 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.
269
270 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."
271
272 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":
273
274         true and true   = true
275         true and *      = *
276         true and false  = false
277         * and true      = *
278         * and *         = *
279         * and false     = *
280         false and true  = false
281         false and *     = false
282         false and false = false
283
284 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.)
285
286 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:
287
288         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
289
290 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.
291
292         x := 2
293         x := x + 1
294         x == 3
295
296 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
297
298         x := x + 1
299         x := 2
300         x == 3
301
302 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
303
304 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
305 sense such that only so matters in imperatival languages.
306
307 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
308
309 *       dynamic versus static typing
310
311 *       dynamic versus lexical scoping
312
313 *       dynamic versus static control operators
314
315 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
316
317 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.
318
319 Map
320 ===
321
322 <table>
323 <tr>
324 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
325 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
326 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
327 Scheme (imperative part)<br>
328 OCaml (imperative part)</td>
329 <tr>
330 <td width=30%>untyped lambda calculus<br>
331 combinatorial logic</td>
332 <tr>
333 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
334 <tr>
335 <td width=30%>&nbsp;
336 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
337 <td width=30%>&nbsp;
338 <tr>
339 <td width=30%>&nbsp;
340 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
341 <td width=30%>&nbsp;
342 </table>
343
344
345 Rosetta Stone
346 =============
347
348 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
349
350 The following site may be useful; it lets you run a Scheme interpreter inside your web browser:
351
352 <ul>
353 <li>[Try Scheme in your web browser](http://tryscheme.sourceforge.net/)
354 </ul>
355
356
357 1.      Function application and parentheses
358
359         In Scheme and the lambda calculus, the functions you're applying always go to the left. So you write `(foo 2)` and also `(+ 2 3)`.
360
361         Mostly that's how OCaml is written too:
362
363                 foo 2
364
365         But a few familiar binary operators can be written infix, so:
366
367                 2 + 3
368
369         You can also write them operator-leftmost, if you put them inside parentheses to help the parser understand you:
370
371                 ( + ) 2 3
372
373         I'll mostly do this, for uniformity with Scheme and the lambda calculus.
374
375         In OCaml and the lambda calculus, this:
376
377                 foo 2 3
378
379         means the same as:
380
381                 ((foo 2) 3)
382
383         These functions are "curried". MORE
384         `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.
385
386         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.
387
388         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. So you have to write `(foo 2)`; if you only say `foo 2`, Scheme won't understand you.
389
390         Scheme uses a lot of parentheses, and they are always significant, never optional. Often the parentheses mean "apply this function to these arguments," as just described. But in a moment we'll see other constructions in Scheme where the parentheses have different roles. They do lots of different work in Scheme.
391
392
393 2.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
394
395         In Scheme:
396
397                 (let* ((three 3))
398                           (let ((two 2))
399                                    (+ three two)))
400
401 Most of the parentheses in this construction *aren't* playing the role of applying a function to some arguments---only the ones in `(+ three two)` are doing that.
402
403
404         In OCaml:
405
406                 let three = 3 in
407                         let two = 2 in
408                                 ( + ) three two
409
410         In the lambda calculus:
411
412         >       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.
413
414         >       But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
415
416                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
417         
418         In an ordinary imperatival language like C:
419
420                 int three = 3;
421                 int two = 2;
422                 three + two;
423
424 2.      Mutation
425
426         In C this looks almost the same as what we had before:
427
428                 int x = 3;
429                 x = 2;
430
431         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
432
433         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
434
435                 (let ((x (box 3)))
436                          (set-box! x 2))
437
438         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.
439
440         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
441
442                 let x = ref 3 in
443                         x := 2
444
445         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.
446
447         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.
448
449
450
451
452
453 3.      Anonymous functions
454
455         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.
456
457         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.
458
459         In the lambda calculus:
460
461                 (\x M)
462
463         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
464
465                 ((\y N) (\x M))
466
467         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
468
469         In Scheme, the same thing is written:
470
471                 (lambda (x) M)
472
473         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:
474
475                 (lambda (x) (+ 3 x))
476
477
478         In OCaml, we write our anonymous function like this:
479
480                 fun x -> (3 + x)
481
482         or:
483
484                 fun x -> (( + ) 3 x)
485
486         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:
487
488                 fun x -> ( + ) 3 x
489
490         or:
491
492                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
493
494         As we saw above, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
495
496 4.      Supplying an argument to an anonymous function
497
498         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:
499
500                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
501
502         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
503
504         In OCaml:
505
506                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
507
508
509 5.      Binding variables to values with "let"
510
511         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
512
513                 (let* ((three 3))
514                           (let ((two 2))
515                                    (+ three two)))
516
517         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:
518
519                 (let* ((three 3) (two 2))
520                           (+ three two))
521
522         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:
523
524                 (let* ((three 3))
525                           (let ((two 2))
526                                    (+ three two)))
527
528         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 `(...)`.
529
530         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
531
532                 (let* [(three (+ 1 2))]
533                           (let [(two 2)]
534                                    (+ three two)))
535         
536         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.
537
538         Repeating our starting point for reference:
539
540                 (let* [(three 3)]
541                           (let [(two 2)]
542                                    (+ three two)))
543
544         Recall in OCaml this same computation was written:
545
546                 let three = 3 in
547                         let two = 2 in
548                                 ( + ) three two
549
550 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
551
552         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
553
554                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
555
556         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
557
558                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
559
560         Read this several times until you understand it.
561
562 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
563
564         In Scheme:
565
566                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
567
568         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)`.
569
570         Similarly, in OCaml:
571
572                 let bar = fun x -> B in
573                         M
574
575         This in Scheme:
576
577                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
578
579         as we've said, means the same as:
580
581                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
582
583         which, as we'll see, is equivalent to:
584
585                 ((lambda (x) B) A)
586
587         and that means the same as:
588
589                 (let* [(x A)] B)
590
591         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
592
593         Similarly, this in OCaml:
594
595                 let bar = fun x -> B in
596                         bar A
597
598         is equivalent to:
599
600                 (fun x -> B) A
601
602         and that means the same as:
603
604                 let x = A in
605                         B
606
607 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
608
609         What if you want to do something like this, in Scheme?
610
611                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
612
613         or this, in OCaml:
614
615                 let x = A in
616                         ... for the rest of the file or interactive session ...
617
618         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
619
620                 (define x A)
621                 ... rest of the file or interactive session ...
622
623         In OCaml it's written like this:
624
625                 let x = A;;
626                 ... rest of the file or interactive session ...
627
628         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.)
629
630 9.      Some shorthand
631
632         OCaml permits you to abbreviate:
633
634                 let bar = fun x -> B in
635                         M
636
637         as:
638
639                 let bar x = B in
640                         M
641
642         It also permits you to abbreviate:
643
644                 let bar = fun x -> B;;
645
646         as:
647
648                 let bar x = B;;
649
650         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
651
652                 (define bar (lambda (x) B))
653
654         as:
655
656                 (define (bar x) B)
657
658         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
659
660         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
661
662                 (define (bar x) B)
663
664         just means:
665
666                 (define bar (lambda (x) B))
667
668         which just means:
669
670                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
671
672         which just means:
673
674                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
675
676         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
677
678
679 10.     Shadowing
680
681         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
682
683                 let x = 3 in
684                         let x = 2 in
685                                 x
686
687         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:
688
689                 int x = 3;
690                 x = 2;
691         
692         <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.
693
694         The OCaml expression just means:
695
696                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
697
698         and there's no more mutation going on there than there is in:
699
700         <pre><code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))
701         </code></pre>
702
703         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.
704
705
706 Some more comparisons between Scheme and OCaml
707 ----------------------------------------------
708
709 11.     Simple predefined values
710
711         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
712         In OCaml: `2`, `3`
713
714         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
715         In OCaml: `true`, `false`
716
717         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
718         In OCaml: `'h'`
719
720 12.     Compound values
721
722         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
723
724         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)`  
725         In OCaml: `(2, 3)`
726
727         Lists in Scheme: `'(2 3)`  
728         In OCaml: `[2; 3]`  
729         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
730
731         The empty list, in Scheme: `'()`  
732         In OCaml: `[]`
733
734         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
735         In OCaml: `"h"`
736
737         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
738         In OCaml: `"horse"`
739
740         A shorter string, in Scheme: `""`  
741         In OCaml: `""`
742
743
744
745 What "sequencing" is and isn't
746 ------------------------------
747
748 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.
749
750 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
751
752 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,
753
754 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.
755
756 Third, the kinds of bindings we see in:
757
758         (define foo A)
759         (foo 2)
760
761 Or even:
762
763         (define foo A)
764         (define foo B)
765         (foo 2)
766
767 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.
768
769 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
770
771         (begin A B C)
772
773 In OCaml it looks like this:
774
775         begin A; B; C end
776
777 Or this:
778
779         (A; B; C)
780
781 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
782
783         (begin (print "under") (print "water"))
784         
785         (begin (print "water") (print "under"))
786
787 And so too these:
788
789         begin x := 3; x := 2; x end
790
791         begin x := 2; x := 3; x end
792
793 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
794
795         begin A; B; C end
796
797 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
798
799         begin A; B; C end
800
801 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.
802
803 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
804
805
806
807