3e5c40d508ead0066c3172469ea9467cc63eda86
[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 *       [Try Scheme in your web browser](http://tryscheme.sourceforge.net/)
353
354 &nbsp;
355
356 1.      Function application and parentheses
357
358         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)`.
359
360         Mostly that's how OCaml is written too:
361
362                 foo 2
363
364         But a few familiar binary operators can be written infix, so:
365
366                 2 + 3
367
368         You can also write them operator-leftmost, if you put them inside parentheses to help the parser understand you:
369
370                 ( + ) 2 3
371
372         I'll mostly do this, for uniformity with Scheme and the lambda calculus.
373
374         In OCaml and the lambda calculus, this:
375
376                 foo 2 3
377
378         means the same as:
379
380                 ((foo 2) 3)
381
382         These functions are "curried". MORE
383         `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.
384
385         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.
386
387         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.
388
389         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.
390
391
392 2.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
393
394         In Scheme:
395
396                 (let* ((three 3))
397                           (let* ((two 2))
398                                    (+ three two)))
399
400         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.
401
402
403         In OCaml:
404
405                 let three = 3 in
406                         let two = 2 in
407                                 ( + ) three two
408
409         In the lambda calculus:
410
411         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.
412
413         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
414
415                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
416         
417         In an ordinary imperatival language like C:
418
419                 int three = 3;
420                 int two = 2;
421                 three + two;
422
423 2.      Mutation
424
425         In C this looks almost the same as what we had before:
426
427                 int x = 3;
428                 x = 2;
429
430         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
431
432         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
433
434                 (let ((x (box 3)))
435                          (set-box! x 2))
436
437         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.
438
439         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
440
441                 let x = ref 3 in
442                         x := 2
443
444         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.
445
446         In the lambda calculus:
447
448         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.
449
450
451
452
453 3.      Anonymous functions
454
455         Functions are "first-class values" MORE in the lambda calculus, in Scheme, and in OCaml. What that means is that they can be arguments to, and results of, other functions. 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         ---where `M` is any simple or complex expression---is anonymous. 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 here is an anonymous function that adds 3 to whatever argument it's given:
474
475                 (lambda (x) (+ 3 x))
476
477         In OCaml, we write our anonymous function like this:
478
479                 fun x -> ( + ) 3 x
480
481
482 4.      Supplying an argument to an anonymous function
483
484         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:
485
486                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
487
488         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`, or equivalently, "give the value `2` as an argument to the function `(lambda (x) (+ 3 x))`.
489
490         In OCaml:
491
492                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
493
494
495 5.      Binding variables to values with "let"
496
497         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
498
499                 (let* ((three 3))
500                           (let* ((two 2))
501                                    (+ three two)))
502
503         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:
504
505                 (let* ((three 3) (two 2))
506                           (+ three two))
507
508         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:
509
510                 (let* ((three 3))
511                           (let* ((two 2))
512                                    (+ three two)))
513
514         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 `(...)`.
515
516         It was asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
517
518                 (let* [(three (+ 1 2))]
519                           (let* [(two 2)]
520                                    (+ three two)))
521         
522         It was also asked 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.
523
524         Repeating our starting point for reference:
525
526                 (let* [(three 3)]
527                           (let* [(two 2)]
528                                    (+ three two)))
529
530         Recall in OCaml this same computation was written:
531
532                 let three = 3 in
533                         let two = 2 in
534                                 ( + ) three two
535
536 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
537
538         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
539
540                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
541
542         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
543
544                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
545
546         Read this several times until you understand it.
547
548 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
549
550         In Scheme:
551
552                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
553
554         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)`.
555
556         Similarly, in OCaml:
557
558                 let bar = fun x -> B in
559                         M
560
561         This in Scheme:
562
563                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
564
565         as we've said, means the same as:
566
567                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
568
569         which beta-reduces to:
570
571                 ((lambda (x) B) A)
572
573         and that means the same as:
574
575                 (let* [(x A)] B)
576
577         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
578
579         Similarly, this in OCaml:
580
581                 let bar = fun x -> B in
582                         bar A
583
584         is equivalent to:
585
586                 (fun x -> B) A
587
588         and that means the same as:
589
590                 let x = A in
591                         B
592
593 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
594
595         What if you want to do something like this, in Scheme?
596
597                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
598
599         or this, in OCaml:
600
601                 let x = A in
602                         ... for the rest of the file or interactive session ...
603
604         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
605
606                 (define x A)
607                 ... rest of the file or interactive session ...
608
609         In OCaml it's written like this:
610
611                 let x = A;;
612                 ... rest of the file or interactive session ...
613
614         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. I'm fudging a bit here, since in Scheme `(define ...)` is really shorthand for a `letrec` epression, which we'll come to in later classes.)
615
616 9.      Some shorthand
617
618         OCaml permits you to abbreviate:
619
620                 let bar = fun x -> B in
621                         M
622
623         as:
624
625                 let bar x = B in
626                         M
627
628         It also permits you to abbreviate:
629
630                 let bar = fun x -> B;;
631
632         as:
633
634                 let bar x = B;;
635
636         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
637
638                 (define bar (lambda (x) B))
639
640         as:
641
642                 (define (bar x) B)
643
644         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
645
646         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
647
648                 (define (bar x) B)
649
650         just means:
651
652                 (define bar (lambda (x) B))
653
654         which just means:
655
656                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
657
658         which just means:
659
660                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
661
662         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
663
664
665 10.     Shadowing
666
667         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
668
669                 let x = 3 in
670                         let x = 2 in
671                                 x
672
673         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:
674
675                 int x = 3;
676                 x = 2;
677         
678         <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.
679
680         The OCaml expression just means:
681
682                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
683
684         and there's no more mutation going on there than there is in:
685
686         <pre><code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))
687         </code></pre>
688
689         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.
690
691
692 Some more comparisons between Scheme and OCaml
693 ----------------------------------------------
694
695 *       Simple predefined values
696
697         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
698         In OCaml: `2`, `3`
699
700         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
701         In OCaml: `true`, `false`
702
703         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
704         In OCaml: `'h'`
705
706 *       Compound values
707
708         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
709
710         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)` or `(cons 2 3)`  
711         In OCaml: `(2, 3)`
712
713         Lists in Scheme: `'(2 3)` or `(list 2 3)`  
714         In OCaml: `[2; 3]`  
715         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
716
717         The empty list, in Scheme: `'()` or `(list)`  
718         In OCaml: `[]`
719
720         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
721         In OCaml: `"h"`
722
723         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
724         In OCaml: `"horse"`
725
726         A shorter string, in Scheme: `""`  
727         In OCaml: `""`
728
729
730
731 What "sequencing" is and isn't
732 ------------------------------
733
734 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.
735
736 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
737
738 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,
739
740 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.
741
742 Third, the kinds of bindings we see in:
743
744         (define foo A)
745         (foo 2)
746
747 Or even:
748
749         (define foo A)
750         (define foo B)
751         (foo 2)
752
753 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.
754
755 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
756
757         (begin A B C)
758
759 In OCaml it looks like this:
760
761         begin A; B; C end
762
763 Or this:
764
765         (A; B; C)
766
767 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
768
769         (begin (print "under") (print "water"))
770         
771         (begin (print "water") (print "under"))
772
773 And so too these:
774
775         begin x := 3; x := 2; x end
776
777         begin x := 2; x := 3; x end
778
779 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
780
781         begin A; B; C end
782
783 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
784
785         begin A; B; C end
786
787 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.
788
789 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
790
791
792
793