week1: fix markup processing?
[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 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.
43
44 Examples of expressions:
45
46         x
47         (y x)
48         (x x)
49         (\x y)
50         (\x x)
51         (\x (\y x))
52         (x (\x x))
53         ((\x (x x)) (\x (x x)))
54
55 The lambda calculus has an associated proof theory. For now, we can regard the
56 proof theory as having just one rule, called the rule of **beta-reduction** or
57 "beta-contraction". Suppose you have some expression of the form:
58
59         ((\ a M) N)
60
61 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**.
62
63 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
64
65         M [a:=N]
66
67 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
68
69 What is a free occurrence?
70
71 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
72
73 >       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`.
74
75 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
76
77 For instance:
78
79
80 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
81
82 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.
83
84 Here's an example of beta-reduction:
85
86         ((\x (y x)) z)
87
88 beta-reduces to:
89
90         (y z)
91
92 We'll write that like this:
93
94         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
95
96 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:
97
98         M ~~> N
99
100 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>.
101
102 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:
103
104         M <~~> N
105
106 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.)
107
108 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:
109
110 >       T is defined to be `(M N)`.
111
112 We'll regard the following two expressions:
113
114         (\x (x y))
115
116         (\z (z y))
117
118 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.
119
120 Note that neither of those expressions are identical to:
121
122         (\x (x w))
123
124 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
125
126         (\y (y y))
127
128 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
129
130 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.
131
132
133 Shorthand
134 ---------
135
136 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.)
137
138
139 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
140 paren as far the right as possible without creating unbalanced
141 parentheses". So:
142
143         (\x (\y (x y)))
144
145 can be abbreviated as:
146
147         (\x (\y. x y))
148
149 and:
150
151         (\x (\y. (z y) z))
152
153 would abbreviate:
154
155         (\x (\y ((z y) z)))
156
157 This on the other hand:
158
159         (\x (\y. z y) z)
160
161 would abbreviate:
162
163         (\x (\y (z y)) z)
164
165 **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:
166
167         (\x. x y)
168
169 as:
170
171         \x. x y
172
173 but you should include the parentheses in:
174
175         (\x. x y) z
176
177 and:
178
179         z (\x. x y)
180
181 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
182
183         (\x y. M)
184
185 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
186
187         (\x y z. M)
188
189
190 Lambda terms represent functions
191 --------------------------------
192
193 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
194 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
195
196 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
197 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
198
199 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
200 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
201
202 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
203 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
204
205 and so on.
206
207 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
208 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
209
210         (\x x)
211
212 and:
213
214         (\z z)
215
216 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:
217
218         (\y x. y x) (\z z)
219
220         (\x. (\z z) x)
221
222         (\z z)
223
224 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.
225
226 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.
227
228 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).
229
230
231
232 Booleans and pairs
233 ==================
234
235 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
236
237
238 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
239 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
240 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
241 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
242 proposed answers to the assignment.
243
244
245
246
247
248
249 Declarative/functional vs Imperatival/dynamic models of computation
250 ===================================================================
251
252 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.
253
254 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.
255
256 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.
257
258 What the latter would amount to will become clearer as we build our way up to languages which are genuinely imperatival or dynamic.
259
260 Many of the slogans and keywords we'll encounter in discussions of these issues call for careful interpretation. They mean various different things.
261
262 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.
263
264 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.
265
266 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."
267
268 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":
269
270 <pre><code>
271 true and true   = true
272 true and true   = true
273 true and *      = *
274 true and false  = false
275 * and true      = *
276 * and *         = *
277 * and false     = *
278 false and true  = false
279 false and *     = false
280 false and false = false
281 </code></pre>
282
283 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.)
284
285 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:
286
287         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
288
289 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.
290
291         x := 2
292         x := x + 1
293         x == 3
294
295 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
296
297         x := x + 1
298         x := 2
299         x == 3
300
301 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
302
303 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
304 sense such that only so matters in imperatival languages.
305
306 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
307
308 *       dynamic versus static typing
309
310 *       dynamic versus lexical scoping
311
312 *       dynamic versus static control operators
313
314 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
315
316 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.
317
318 Map
319 ===
320
321 <table>
322 <tr>
323 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
324 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
325 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
326 Scheme (imperative part)<br>
327 OCaml (imperative part)</td>
328 <tr>
329 <td width=30%>lambda calculus<br>
330 combinatorial logic</td>
331 <tr>
332 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
333 <tr>
334 <td width=30%>&nbsp;
335 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
336 <td width=30%>&nbsp;
337 <tr>
338 <td width=30%>&nbsp;
339 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
340 <td width=30%>&nbsp;
341 </table>
342
343
344 Rosetta Stone
345 =============
346
347 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
348
349 1.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
350
351         In Scheme:
352
353                 (let* ((three 3))
354                           (let ((two 2))
355                                    (+ three two)))
356
357         In OCaml:
358
359                 let three = 3 in
360                         let two = 2 in
361                                 three + two
362
363         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:
364
365                 let three = 3 in
366                         let two = 2 in
367                                 ( + ) three two
368
369         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.
370
371         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
372
373                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
374         
375         In an ordinary imperatival language like C:
376
377                 int three = 3;
378                 int two = 2;
379                 three + two;
380
381 2.      Mutation
382
383         In C this looks almost the same as what we had before:
384
385                 int x = 3;
386                 x = 2;
387
388         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
389
390         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
391
392                 (let ((x (box 3)))
393                          (set-box! x 2))
394
395         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.
396
397         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
398
399                 let x = ref 3 in
400                         x := 2
401
402         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.
403
404         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.
405
406
407
408
409
410 3.      Anonymous functions
411
412         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.
413
414         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.
415
416         In the lambda calculus:
417
418                 (\x M)
419
420         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
421
422                 ((\y N) (\x M))
423
424         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
425
426         In Scheme, the same thing is written:
427
428                 (lambda (x) M)
429
430         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:
431
432                 (lambda (x) (+ 3 x))
433
434         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.
435
436         In OCaml, we write our anonymous function like this:
437
438                 fun x -> (3 + x)
439
440         or:
441
442                 fun x -> (( + ) 3 x)
443
444         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:
445
446                 fun x -> ( + ) 3 x
447
448         or:
449
450                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
451
452         As we saw above, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
453
454 4.      Supplying an argument to an anonymous function
455
456         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:
457
458                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
459
460         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
461
462         In OCaml:
463
464                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
465
466
467 5.      Binding variables to values with "let"
468
469         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
470
471                 (let* ((three 3))
472                           (let ((two 2))
473                                    (+ three two)))
474
475         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:
476
477                 (let* ((three 3) (two 2))
478                           (+ three two))
479
480         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:
481
482                 (let* ((three 3))
483                           (let ((two 2))
484                                    (+ three two)))
485
486         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 `(...)`.
487
488         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
489
490                 (let* [(three (+ 1 2))]
491                           (let [(two 2)]
492                                    (+ three two)))
493         
494         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.
495
496         Repeating our starting point for reference:
497
498                 (let* [(three 3)]
499                           (let [(two 2)]
500                                    (+ three two)))
501
502         Recall in OCaml this same computation was written:
503
504                 let three = 3 in
505                         let two = 2 in
506                                 ( + ) three two
507
508 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
509
510         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
511
512                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
513
514         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
515
516                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
517
518         Read this several times until you understand it.
519
520 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
521
522         In Scheme:
523
524                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
525
526         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)`.
527
528         Similarly, in OCaml:
529
530                 let bar = fun x -> B in
531                         M
532
533         This in Scheme:
534
535                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
536
537         as we've said, means the same as:
538
539                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
540
541         which, as we'll see, is equivalent to:
542
543                 ((lambda (x) B) A)
544
545         and that means the same as:
546
547                 (let* [(x A)] B)
548
549         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
550
551         Similarly, this in OCaml:
552
553                 let bar = fun x -> B in
554                         bar A
555
556         is equivalent to:
557
558                 (fun x -> B) A
559
560         and that means the same as:
561
562                 let x = A in
563                         B
564
565 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
566
567         What if you want to do something like this, in Scheme?
568
569                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
570
571         or this, in OCaml:
572
573                 let x = A in
574                         ... for the rest of the file or interactive session ...
575
576         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
577
578                 (define x A)
579                 ... rest of the file or interactive session ...
580
581         In OCaml it's written like this:
582
583                 let x = A;;
584                 ... rest of the file or interactive session ...
585
586         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.)
587
588
589 9.      Some shorthand
590
591         OCaml permits you to abbreviate:
592
593                 let bar = fun x -> B in
594                         M
595
596         as:
597
598                 let bar x = B in
599                         M
600
601         It also permits you to abbreviate:
602
603                 let bar = fun x -> B;;
604
605         as:
606
607                 let bar x = B;;
608
609         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
610
611                 (define bar (lambda (x) B))
612
613         as:
614
615                 (define (bar x) B)
616
617         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
618
619         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
620
621                 (define (bar x) B)
622
623         just means:
624
625                 (define bar (lambda (x) B))
626
627         which just means:
628
629                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
630
631         which just means:
632
633                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
634
635         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
636
637
638 10.     Shadowing
639
640         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
641
642                 let x = 3 in
643                         let x = 2 in
644                                 x
645
646         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:
647
648                 int x = 3;
649                 x = 2;
650         
651         <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.
652
653         The OCaml expression just means:
654
655                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
656
657         and there's no more mutation going on there than there is in:
658
659         <pre>
660         <code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))</code>
661         </pre>
662
663         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.
664
665
666 Some more comparisons between Scheme and OCaml
667 ----------------------------------------------
668
669 11.     Simple predefined values
670
671         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
672         In OCaml: `2`, `3`
673
674         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
675         In OCaml: `true`, `false`
676
677         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
678         In OCaml: `'h'`
679
680 12.     Compound values
681
682         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
683
684         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)`  
685         In OCaml: `(2, 3)`
686
687         Lists in Scheme: `'(2 3)`  
688         In OCaml: `[2; 3]`  
689         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
690
691         The empty list, in Scheme: `'()`  
692         In OCaml: `[]`
693
694         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
695         In OCaml: `"h"`
696
697         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
698         In OCaml: `"horse"`
699
700         A shorter string, in Scheme: `""`  
701         In OCaml: `""`
702
703 13.     Function application
704
705         Binary functions in OCaml: `foo 2 3`
706         
707         Or: `( + ) 2 3`
708
709         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.
710
711         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.
712
713         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.
714
715
716 What "sequencing" is and isn't
717 ------------------------------
718
719 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.
720
721 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
722
723 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,
724
725 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.
726
727 Third, the kinds of bindings we see in:
728
729         (define foo A)
730         (foo 2)
731
732 Or even:
733
734         (define foo A)
735         (define foo B)
736         (foo 2)
737
738 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.
739
740 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
741
742         (begin A B C)
743
744 In OCaml it looks like this:
745
746         begin A; B; C end
747
748 Or this:
749
750         (A; B; C)
751
752 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
753
754         (begin (print "under") (print "water"))
755         
756         (begin (print "water") (print "under"))
757
758 And so too these:
759
760         begin x := 3; x := 2; x end
761
762         begin x := 2; x := 3; x end
763
764 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
765
766         begin A; B; C end
767
768 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
769
770         begin A; B; C end
771
772 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.
773
774 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
775
776
777
778
779 1.      Declarative vs imperatival models of computation.
780 2.      Variety of ways in which "order can matter."
781 3.      Variety of meanings for "dynamic."
782 4.      Schoenfinkel, Curry, Church: a brief history
783 5.      Functions as "first-class values"
784 6.      "Curried" functions
785
786 1.      Beta reduction
787 1.      Encoding pairs (and triples and ...)
788 1.      Encoding booleans
789
790
791
792
793