week1: move lambda stuff first
[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 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:
74
75         ((\a M) N)
76
77 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**.
78
79 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
80
81         M [a:=N]
82
83 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
84
85 What is a free occurrence?
86
87 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
88
89 >       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`.
90
91 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
92
93 For instance:
94
95
96 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
97
98 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.
99
100 Here's an example of beta-reduction:
101
102         ((\x (y x)) z)
103
104 beta-reduces to:
105
106         (y z)
107
108 We'll write that like this:
109
110         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
111
112 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:
113
114         M ~~> N
115
116 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>.
117
118 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:
119
120         M <~~> N
121
122 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.)
123
124 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:
125
126 >       T is defined to be `(M N)`.
127
128 We'll regard the following two expressions:
129
130         (\x (x y))
131
132         (\z (z y))
133
134 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.
135
136 Note that neither of those expressions are identical to:
137
138         (\x (x w))
139
140 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
141
142         (\y (y y))
143
144 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
145
146 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.
147
148
149 Shorthand
150 ---------
151
152 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.)
153
154
155 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
156 paren as far the right as possible without creating unbalanced
157 parentheses". So:
158
159         (\x (\y (x y)))
160
161 can be abbreviated as:
162
163         (\x (\y. x y))
164
165 and:
166
167         (\x (\y. (z y) z))
168
169 would abbreviate:
170
171         (\x (\y ((z y) z)))
172
173 This on the other hand:
174
175         (\x (\y. z y) z)
176
177 would abbreviate:
178
179         (\x (\y (z y)) z)
180
181 **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:
182
183         (\x. x y)
184
185 as:
186
187         \x. x y
188
189 but you should include the parentheses in:
190
191         (\x. x y) z
192
193 and:
194
195         z (\x. x y)
196
197 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
198
199         (\x y. M)
200
201 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
202
203         (\x y z. M)
204
205
206 Lambda terms represent functions
207 --------------------------------
208
209 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
210 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
211
212 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
213 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
214
215 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
216 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
217
218 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
219 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
220
221 and so on.
222
223 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
224 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
225
226         (\x x)
227
228 and:
229
230         (\z z)
231
232 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:
233
234         (\y x. y x) (\z z)
235
236         (\x. (\z z) x)
237
238         (\z z)
239
240 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.
241
242 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.
243
244 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).
245
246
247
248 Booleans and pairs
249 ==================
250
251 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
252
253
254 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
255 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
256 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
257 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
258 proposed answers to the assignment.
259
260
261
262
263
264
265 Declarative/functional vs Imperatival/dynamic models of computation
266 ===================================================================
267
268 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.
269
270 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.
271
272 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.
273
274 What the latter would amount to will become clearer as we build our way up to languages which are genuinely imperatival or dynamic.
275
276 Many of the slogans and keywords we'll encounter in discussions of these issues call for careful interpretation. They mean various different things.
277
278 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.
279
280 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.
281
282 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."
283
284 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":
285
286         true and true   = true
287         true and *      = *
288         true and false  = false
289         * and true      = *
290         * and *         = *
291         * and false     = *
292         false and true  = false
293         false and *     = false
294         false and false = false
295
296 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.)
297
298 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:
299
300         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
301
302 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.
303
304         x := 2
305         x := x + 1
306         x == 3
307
308 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
309
310         x := x + 1
311         x := 2
312         x == 3
313
314 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
315
316 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
317 sense such that only so matters in imperatival languages.
318
319 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
320
321 *       dynamic versus static typing
322
323 *       dynamic versus lexical scoping
324
325 *       dynamic versus static control operators
326
327 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
328
329 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.
330
331 Map
332 ===
333
334 <table>
335 <tr>
336 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
337 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
338 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
339 Scheme (imperative part)<br>
340 OCaml (imperative part)</td>
341 <tr>
342 <td width=30%>lambda calculus<br>
343 combinatorial logic</td>
344 <tr>
345 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
346 <tr>
347 <td width=30%>&nbsp;
348 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
349 <td width=30%>&nbsp;
350 <tr>
351 <td width=30%>&nbsp;
352 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
353 <td width=30%>&nbsp;
354 </table>
355
356
357 Rosetta Stone
358 =============
359
360 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
361
362 1.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
363
364         In Scheme:
365
366                 (let* ((three 3))
367                           (let ((two 2))
368                                    (+ three two)))
369
370         In OCaml:
371
372                 let three = 3 in
373                         let two = 2 in
374                                 three + two
375
376         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:
377
378                 let three = 3 in
379                         let two = 2 in
380                                 ( + ) three two
381
382         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.
383
384         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
385
386                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
387         
388         In an ordinary imperatival language like C:
389
390                 int three = 3;
391                 int two = 2;
392                 three + two;
393
394 2.      Mutation
395
396         In C this looks almost the same as what we had before:
397
398                 int x = 3;
399                 x = 2;
400
401         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
402
403         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
404
405                 (let ((x (box 3)))
406                          (set-box! x 2))
407
408         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.
409
410         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
411
412                 let x = ref 3 in
413                         x := 2
414
415         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.
416
417         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.
418
419
420
421
422
423 3.      Anonymous functions
424
425         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.
426
427         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.
428
429         In the lambda calculus:
430
431                 (\x M)
432
433         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
434
435                 ((\y N) (\x M))
436
437         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
438
439         In Scheme, the same thing is written:
440
441                 (lambda (x) M)
442
443         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:
444
445                 (lambda (x) (+ 3 x))
446
447         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.
448
449         In OCaml, we write our anonymous function like this:
450
451                 fun x -> (3 + x)
452
453         or:
454
455                 fun x -> (( + ) 3 x)
456
457         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:
458
459                 fun x -> ( + ) 3 x
460
461         or:
462
463                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
464
465         As we saw above, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
466
467 4.      Supplying an argument to an anonymous function
468
469         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:
470
471                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
472
473         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
474
475         In OCaml:
476
477                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
478
479
480 5.      Binding variables to values with "let"
481
482         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
483
484                 (let* ((three 3))
485                           (let ((two 2))
486                                    (+ three two)))
487
488         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:
489
490                 (let* ((three 3) (two 2))
491                           (+ three two))
492
493         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:
494
495                 (let* ((three 3))
496                           (let ((two 2))
497                                    (+ three two)))
498
499         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 `(...)`.
500
501         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
502
503                 (let* [(three (+ 1 2))]
504                           (let [(two 2)]
505                                    (+ three two)))
506         
507         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.
508
509         Repeating our starting point for reference:
510
511                 (let* [(three 3)]
512                           (let [(two 2)]
513                                    (+ three two)))
514
515         Recall in OCaml this same computation was written:
516
517                 let three = 3 in
518                         let two = 2 in
519                                 ( + ) three two
520
521 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
522
523         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
524
525                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
526
527         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
528
529                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
530
531         Read this several times until you understand it.
532
533 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
534
535         In Scheme:
536
537                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
538
539         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)`.
540
541         Similarly, in OCaml:
542
543                 let bar = fun x -> B in
544                         M
545
546         This in Scheme:
547
548                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
549
550         as we've said, means the same as:
551
552                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
553
554         which, as we'll see, is equivalent to:
555
556                 ((lambda (x) B) A)
557
558         and that means the same as:
559
560                 (let* [(x A)] B)
561
562         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
563
564         Similarly, this in OCaml:
565
566                 let bar = fun x -> B in
567                         bar A
568
569         is equivalent to:
570
571                 (fun x -> B) A
572
573         and that means the same as:
574
575                 let x = A in
576                         B
577
578 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
579
580         What if you want to do something like this, in Scheme?
581
582                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
583
584         or this, in OCaml:
585
586                 let x = A in
587                         ... for the rest of the file or interactive session ...
588
589         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
590
591                 (define x A)
592                 ... rest of the file or interactive session ...
593
594         In OCaml it's written like this:
595
596                 let x = A;;
597                 ... rest of the file or interactive session ...
598
599         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.)
600
601
602 9.      Some shorthand
603
604         OCaml permits you to abbreviate:
605
606                 let bar = fun x -> B in
607                         M
608
609         as:
610
611                 let bar x = B in
612                         M
613
614         It also permits you to abbreviate:
615
616                 let bar = fun x -> B;;
617
618         as:
619
620                 let bar x = B;;
621
622         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
623
624                 (define bar (lambda (x) B))
625
626         as:
627
628                 (define (bar x) B)
629
630         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
631
632         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
633
634                 (define (bar x) B)
635
636         just means:
637
638                 (define bar (lambda (x) B))
639
640         which just means:
641
642                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
643
644         which just means:
645
646                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
647
648         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
649
650
651 10.     Shadowing
652
653         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
654
655                 let x = 3 in
656                         let x = 2 in
657                                 x
658
659         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:
660
661                 int x = 3;
662                 x = 2;
663         
664         <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.
665
666         The OCaml expression just means:
667
668                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
669
670         and there's no more mutation going on there than there is in:
671
672         <pre>
673         <code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))</code>
674         </pre>
675
676         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.
677
678
679 Some more comparisons between Scheme and OCaml
680 ----------------------------------------------
681
682 11.     Simple predefined values
683
684         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
685         In OCaml: `2`, `3`
686
687         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
688         In OCaml: `true`, `false`
689
690         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
691         In OCaml: `'h'`
692
693 12.     Compound values
694
695         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
696
697         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)`  
698         In OCaml: `(2, 3)`
699
700         Lists in Scheme: `'(2 3)`  
701         In OCaml: `[2; 3]`  
702         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
703
704         The empty list, in Scheme: `'()`  
705         In OCaml: `[]`
706
707         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
708         In OCaml: `"h"`
709
710         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
711         In OCaml: `"horse"`
712
713         A shorter string, in Scheme: `""`  
714         In OCaml: `""`
715
716 13.     Function application
717
718         Binary functions in OCaml: `foo 2 3`
719         
720         Or: `( + ) 2 3`
721
722         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.
723
724         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.
725
726         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.
727
728
729 What "sequencing" is and isn't
730 ------------------------------
731
732 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.
733
734 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
735
736 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,
737
738 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.
739
740 Third, the kinds of bindings we see in:
741
742         (define foo A)
743         (foo 2)
744
745 Or even:
746
747         (define foo A)
748         (define foo B)
749         (foo 2)
750
751 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.
752
753 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
754
755         (begin A B C)
756
757 In OCaml it looks like this:
758
759         begin A; B; C end
760
761 Or this:
762
763         (A; B; C)
764
765 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
766
767         (begin (print "under") (print "water"))
768         
769         (begin (print "water") (print "under"))
770
771 And so too these:
772
773         begin x := 3; x := 2; x end
774
775         begin x := 2; x := 3; x end
776
777 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
778
779         begin A; B; C end
780
781 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
782
783         begin A; B; C end
784
785 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.
786
787 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
788
789
790 1.      Declarative vs imperatival models of computation.
791 2.      Variety of ways in which "order can matter."
792 3.      Variety of meanings for "dynamic."
793 4.      Schoenfinkel, Curry, Church: a brief history
794 5.      Functions as "first-class values"
795 6.      "Curried" functions
796
797 1.      Beta reduction
798 1.      Encoding pairs (and triples and ...)
799 1.      Encoding booleans
800
801
802
803
804