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