8d1ad0dd3a0ec34188415d1b6d76dc817c1956f2
[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 <blockquote><code>
65 x<p>
66 (y x)<p>
67 (x x)<p>
68 (\x y)<p>
69 (\x x)<p>
70 (\x (\y x))<p>
71 (x (\x x))<p>
72 ((\x (x x)) (\x (x x)))<p>
73 </code></blockquote>
74
75 The lambda calculus has an associated proof theory. For now, we can regard the
76 proof theory as having just one rule, called the rule of **beta-reduction** or
77 "beta-contraction". Suppose you have some expression of the form:
78
79         ((\a M) N)
80
81 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**.
82
83 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
84
85         M [a:=N]
86
87 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
88
89 What is a free occurrence?
90
91 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
92
93 >       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`.
94
95 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
96
97 For instance:
98
99
100 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
101
102 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.
103
104 Here's an example of beta-reduction:
105
106         ((\x (y x)) z)
107
108 beta-reduces to:
109
110         (y z)
111
112 We'll write that like this:
113
114         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
115
116 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:
117
118         M ~~> N
119
120 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>.
121
122 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:
123
124         M <~~> N
125
126 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.)
127
128 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:
129
130 >       T is defined to be `(M N)`.
131
132 We'll regard the following two expressions:
133
134         (\x (x y))
135
136         (\z (z y))
137
138 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.
139
140 Note that neither of those expressions are identical to:
141
142         (\x (x w))
143
144 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
145
146         (\y (y y))
147
148 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
149
150 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.
151
152
153 Shorthand
154 ---------
155
156 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.)
157
158
159 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
160 paren as far the right as possible without creating unbalanced
161 parentheses". So:
162
163         (\x (\y (x y)))
164
165 can be abbreviated as:
166
167         (\x (\y. x y))
168
169 and:
170
171         (\x (\y. (z y) z))
172
173 would abbreviate:
174
175         (\x (\y ((z y) z)))
176
177 This on the other hand:
178
179         (\x (\y. z y) z)
180
181 would abbreviate:
182
183         (\x (\y (z y)) z)
184
185 **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:
186
187         (\x. x y)
188
189 as:
190
191         \x. x y
192
193 but you should include the parentheses in:
194
195         (\x. x y) z
196
197 and:
198
199         z (\x. x y)
200
201 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
202
203         (\x y. M)
204
205 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
206
207         (\x y z. M)
208
209
210 Lambda terms represent functions
211 --------------------------------
212
213 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
214 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
215
216 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
217 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
218
219 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
220 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
221
222 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
223 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
224
225 and so on.
226
227 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
228 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
229
230         (\x x)
231
232 and:
233
234         (\z z)
235
236 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:
237
238         (\y x. y x) (\z z)
239
240         (\x. (\z z) x)
241
242         (\z z)
243
244 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.
245
246 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.
247
248 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).
249
250
251
252 Booleans and pairs
253 ==================
254
255 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
256
257
258 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
259 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
260 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
261 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
262 proposed answers to the assignment.
263
264
265
266
267
268
269 Declarative/functional vs Imperatival/dynamic models of computation
270 ===================================================================
271
272 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.
273
274 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.
275
276 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.
277
278 What the latter would amount to will become clearer as we build our way up to languages which are genuinely imperatival or dynamic.
279
280 Many of the slogans and keywords we'll encounter in discussions of these issues call for careful interpretation. They mean various different things.
281
282 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.
283
284 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.
285
286 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."
287
288 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":
289
290 <pre><code>
291 true and true   = true
292 true and true   = true
293 true and *      = *
294 true and false  = false
295 * and true      = *
296 * and *         = *
297 * and false     = *
298 false and true  = false
299 false and *     = false
300 false and false = false
301 </code></pre>
302
303 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.)
304
305 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:
306
307         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
308
309 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.
310
311         x := 2
312         x := x + 1
313         x == 3
314
315 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
316
317         x := x + 1
318         x := 2
319         x == 3
320
321 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
322
323 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
324 sense such that only so matters in imperatival languages.
325
326 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
327
328 *       dynamic versus static typing
329
330 *       dynamic versus lexical scoping
331
332 *       dynamic versus static control operators
333
334 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
335
336 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.
337
338 Map
339 ===
340
341 <table>
342 <tr>
343 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
344 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
345 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
346 Scheme (imperative part)<br>
347 OCaml (imperative part)</td>
348 <tr>
349 <td width=30%>lambda calculus<br>
350 combinatorial logic</td>
351 <tr>
352 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
353 <tr>
354 <td width=30%>&nbsp;
355 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
356 <td width=30%>&nbsp;
357 <tr>
358 <td width=30%>&nbsp;
359 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
360 <td width=30%>&nbsp;
361 </table>
362
363
364 Rosetta Stone
365 =============
366
367 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
368
369 1.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
370
371         In Scheme:
372
373                 (let* ((three 3))
374                           (let ((two 2))
375                                    (+ three two)))
376
377         In OCaml:
378
379                 let three = 3 in
380                         let two = 2 in
381                                 three + two
382
383         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:
384
385                 let three = 3 in
386                         let two = 2 in
387                                 ( + ) three two
388
389         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.
390
391         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
392
393                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
394         
395         In an ordinary imperatival language like C:
396
397                 int three = 3;
398                 int two = 2;
399                 three + two;
400
401 2.      Mutation
402
403         In C this looks almost the same as what we had before:
404
405                 int x = 3;
406                 x = 2;
407
408         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
409
410         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
411
412                 (let ((x (box 3)))
413                          (set-box! x 2))
414
415         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.
416
417         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
418
419                 let x = ref 3 in
420                         x := 2
421
422         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.
423
424         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.
425
426
427
428
429
430 3.      Anonymous functions
431
432         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.
433
434         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.
435
436         In the lambda calculus:
437
438                 (\x M)
439
440         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
441
442                 ((\y N) (\x M))
443
444         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
445
446         In Scheme, the same thing is written:
447
448                 (lambda (x) M)
449
450         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:
451
452                 (lambda (x) (+ 3 x))
453
454         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.
455
456         In OCaml, we write our anonymous function like this:
457
458                 fun x -> (3 + x)
459
460         or:
461
462                 fun x -> (( + ) 3 x)
463
464         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:
465
466                 fun x -> ( + ) 3 x
467
468         or:
469
470                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
471
472         As we saw above, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
473
474 4.      Supplying an argument to an anonymous function
475
476         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:
477
478                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
479
480         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
481
482         In OCaml:
483
484                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
485
486
487 5.      Binding variables to values with "let"
488
489         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
490
491                 (let* ((three 3))
492                           (let ((two 2))
493                                    (+ three two)))
494
495         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:
496
497                 (let* ((three 3) (two 2))
498                           (+ three two))
499
500         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:
501
502                 (let* ((three 3))
503                           (let ((two 2))
504                                    (+ three two)))
505
506         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 `(...)`.
507
508         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
509
510                 (let* [(three (+ 1 2))]
511                           (let [(two 2)]
512                                    (+ three two)))
513         
514         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.
515
516         Repeating our starting point for reference:
517
518                 (let* [(three 3)]
519                           (let [(two 2)]
520                                    (+ three two)))
521
522         Recall in OCaml this same computation was written:
523
524                 let three = 3 in
525                         let two = 2 in
526                                 ( + ) three two
527
528 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
529
530         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
531
532                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
533
534         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
535
536                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
537
538         Read this several times until you understand it.
539
540 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
541
542         In Scheme:
543
544                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
545
546         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)`.
547
548         Similarly, in OCaml:
549
550                 let bar = fun x -> B in
551                         M
552
553         This in Scheme:
554
555                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
556
557         as we've said, means the same as:
558
559                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
560
561         which, as we'll see, is equivalent to:
562
563                 ((lambda (x) B) A)
564
565         and that means the same as:
566
567                 (let* [(x A)] B)
568
569         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
570
571         Similarly, this in OCaml:
572
573                 let bar = fun x -> B in
574                         bar A
575
576         is equivalent to:
577
578                 (fun x -> B) A
579
580         and that means the same as:
581
582                 let x = A in
583                         B
584
585 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
586
587         What if you want to do something like this, in Scheme?
588
589                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
590
591         or this, in OCaml:
592
593                 let x = A in
594                         ... for the rest of the file or interactive session ...
595
596         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
597
598                 (define x A)
599                 ... rest of the file or interactive session ...
600
601         In OCaml it's written like this:
602
603                 let x = A;;
604                 ... rest of the file or interactive session ...
605
606         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.)
607
608
609 9.      Some shorthand
610
611         OCaml permits you to abbreviate:
612
613                 let bar = fun x -> B in
614                         M
615
616         as:
617
618                 let bar x = B in
619                         M
620
621         It also permits you to abbreviate:
622
623                 let bar = fun x -> B;;
624
625         as:
626
627                 let bar x = B;;
628
629         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
630
631                 (define bar (lambda (x) B))
632
633         as:
634
635                 (define (bar x) B)
636
637         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
638
639         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
640
641                 (define (bar x) B)
642
643         just means:
644
645                 (define bar (lambda (x) B))
646
647         which just means:
648
649                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
650
651         which just means:
652
653                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
654
655         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
656
657
658 10.     Shadowing
659
660         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
661
662                 let x = 3 in
663                         let x = 2 in
664                                 x
665
666         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:
667
668                 int x = 3;
669                 x = 2;
670         
671         <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.
672
673         The OCaml expression just means:
674
675                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
676
677         and there's no more mutation going on there than there is in:
678
679         <pre>
680         <code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))</code>
681         </pre>
682
683         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.
684
685
686 Some more comparisons between Scheme and OCaml
687 ----------------------------------------------
688
689 11.     Simple predefined values
690
691         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
692         In OCaml: `2`, `3`
693
694         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
695         In OCaml: `true`, `false`
696
697         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
698         In OCaml: `'h'`
699
700 12.     Compound values
701
702         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
703
704         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)`  
705         In OCaml: `(2, 3)`
706
707         Lists in Scheme: `'(2 3)`  
708         In OCaml: `[2; 3]`  
709         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
710
711         The empty list, in Scheme: `'()`  
712         In OCaml: `[]`
713
714         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
715         In OCaml: `"h"`
716
717         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
718         In OCaml: `"horse"`
719
720         A shorter string, in Scheme: `""`  
721         In OCaml: `""`
722
723 13.     Function application
724
725         Binary functions in OCaml: `foo 2 3`
726         
727         Or: `( + ) 2 3`
728
729         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.
730
731         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.
732
733         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.
734
735
736 What "sequencing" is and isn't
737 ------------------------------
738
739 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.
740
741 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
742
743 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,
744
745 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.
746
747 Third, the kinds of bindings we see in:
748
749         (define foo A)
750         (foo 2)
751
752 Or even:
753
754         (define foo A)
755         (define foo B)
756         (foo 2)
757
758 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.
759
760 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
761
762         (begin A B C)
763
764 In OCaml it looks like this:
765
766         begin A; B; C end
767
768 Or this:
769
770         (A; B; C)
771
772 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
773
774         (begin (print "under") (print "water"))
775         
776         (begin (print "water") (print "under"))
777
778 And so too these:
779
780         begin x := 3; x := 2; x end
781
782         begin x := 2; x := 3; x end
783
784 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
785
786         begin A; B; C end
787
788 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
789
790         begin A; B; C end
791
792 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.
793
794 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
795
796
797
798
799 1.      Declarative vs imperatival models of computation.
800 2.      Variety of ways in which "order can matter."
801 3.      Variety of meanings for "dynamic."
802 4.      Schoenfinkel, Curry, Church: a brief history
803 5.      Functions as "first-class values"
804 6.      "Curried" functions
805
806 1.      Beta reduction
807 1.      Encoding pairs (and triples and ...)
808 1.      Encoding booleans
809
810
811
812
813