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