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