Merge branch 'pryor'
[lambda.git] / week1.mdwn
1 Here's what we did in seminar on Monday 9/13,
2
3 Sometimes these notes will expand on things mentioned only briefly in class, or discuss useful tangents that didn't even make it into class. These notes expand on *a lot*, and some of this material will be reviewed next week.
4
5 Applications
6 ============
7
8 We mentioned a number of linguistic and philosophical applications of the tools that we'd be helping you learn in the seminar. (We really do mean "helping you learn," not "teaching you." You'll need to aggressively browse and experiment with the material yourself, or nothing we do in a few two-hour sessions will succeed in inducing mastery of it.)
9
10 From linguistics
11 ----------------
12
13 *       generalized quantifiers are a special case of operating on continuations
14
15 *       (Chris: fill in other applications...)
16
17 *       expressives -- at the end of the seminar we gave a demonstration of modeling [[damn]] using continuations...see the [summary](/damn) for more explanation and elaboration
18
19 From philosophy
20 ---------------
21
22 *       the natural semantics for positive free logic is thought by some to have objectionable ontological commitments; Jim says that thought turns on not understanding the notion of a "union type", and conflating the folk notion of "naming" with the technical notion of semantic value. We'll discuss this in due course.
23
24 *       those issues may bear on Russell's Gray's Elegy argument in "On Denoting"
25
26 *       and on discussion of the difference between the meaning of "is beautiful" and "beauty," and the difference between the meaning of "that snow is white" and "the proposition that snow is white."
27
28 *       the apparatus of monads, and techniques for statically representing the semantics of an imperatival language quite generally, are explicitly or implicitly invoked in dynamic semantics
29
30 *       the semantics for mutation will enable us to make sense of a difference between numerical and qualitative identity---for purely mathematical objects!
31
32 *       issues in that same neighborhood will help us better understand proposals like Kit Fine's that semantics is essentially coordinated, and that `R a a` and `R a b` can differ in interpretation even when `a` and `b` don't
33
34
35
36
37 Basics of Lambda Calculus
38 =========================
39
40 The lambda calculus we'll be focusing on for the first part of the course has no types. (Some prefer to say it instead has a single type---but if you say that, you have to say that functions from this type to this type also belong to this type. Which is weird.)
41
42 Here is its syntax:
43
44 <blockquote>
45 <strong>Variables</strong>: <code>x</code>, <code>y</code>, <code>z</code>...
46 </blockquote>
47
48 Each variable is an expression. For any expressions M and N and variable a, the following are also expressions:
49
50 <blockquote>
51 <strong>Abstract</strong>: <code>(&lambda;a M)</code>
52 </blockquote>
53
54 We'll tend to write <code>(&lambda;a M)</code> as just `(\a M)`, so we don't have to write out the markup code for the <code>&lambda;</code>. You can yourself write <code>(&lambda;a M)</code> or `(\a M)` or `(lambda a M)`.
55
56 <blockquote>
57 <strong>Application</strong>: <code>(M N)</code>
58 </blockquote>
59
60 Some authors reserve the term "term" for just variables and abstracts. We won't participate in that convention; we'll probably just say "term" and "expression" indiscriminately for expressions of any of these three forms.
61
62 Samples of expressions
63
64 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:
65
66         ((\a M) N)
67
68 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**.
69
70 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
71
72         M [a:=N]
73
74 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
75
76 What is a free occurrence?
77
78 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
79
80 >       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`.
81
82 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
83
84 For instance:
85
86
87 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
88
89 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.
90
91 Here's an example of beta-reduction:
92
93         ((\x (y x)) z)
94
95 beta-reduces to:
96
97         (y z)
98
99 We'll write that like this:
100
101         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
102
103 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:
104
105         M ~~> N
106
107 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>.
108
109 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:
110
111         M <~~> N
112
113 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.)
114
115 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:
116
117 >       T is defined to be `(M N)`.
118
119 We'll regard the following two expressions:
120
121         (\x (x y))
122
123         (\z (z y))
124
125 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.
126
127 Note that neither of those expressions are identical to:
128
129         (\x (x w))
130
131 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
132
133         (\y (y y))
134
135 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
136
137 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.
138
139
140 Shorthand
141 ---------
142
143 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.)
144
145
146 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
147 paren as far the right as possible without creating unbalanced
148 parentheses". So:
149
150         (\x (\y (x y)))
151
152 can be abbreviated as:
153
154         (\x (\y. x y))
155
156 and:
157
158         (\x (\y. (z y) z))
159
160 would abbreviate:
161
162         (\x (\y ((z y) z)))
163
164 This on the other hand:
165
166         (\x (\y. z y) z)
167
168 would abbreviate:
169
170         (\x (\y (z y)) z)
171
172 **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:
173
174         (\x. x y)
175
176 as:
177
178         \x. x y
179
180 but you should include the parentheses in:
181
182         (\x. x y) z
183
184 and:
185
186         z (\x. x y)
187
188 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
189
190         (\x y. M)
191
192 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
193
194         (\x y z. M)
195
196
197 Lambda terms represent functions
198 --------------------------------
199
200 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
201 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
202
203 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
204 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
205
206 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
207 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
208
209 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
210 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
211
212 and so on.
213
214 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
215 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
216
217         (\x x)
218
219 and:
220
221         (\z z)
222
223 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:
224
225         (\y x. y x) (\z z)
226
227         (\x. (\z z) x)
228
229         (\z z)
230
231 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.
232
233 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.
234
235 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).
236
237
238
239 Booleans and pairs
240 ==================
241
242 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
243
244
245 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
246 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
247 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
248 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
249 proposed answers to the assignment.
250
251
252
253
254
255
256 Declarative/functional vs Imperatival/dynamic models of computation
257 ===================================================================
258
259 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.
260
261 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.
262
263 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.
264
265 What the latter would amount to will become clearer as we build our way up to languages which are genuinely imperatival or dynamic.
266
267 Many of the slogans and keywords we'll encounter in discussions of these issues call for careful interpretation. They mean various different things.
268
269 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.
270
271 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.
272
273 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."
274
275 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":
276
277         true and true   = true
278         true and *      = *
279         true and false  = false
280         * and true      = *
281         * and *         = *
282         * and false     = *
283         false and true  = false
284         false and *     = false
285         false and false = false
286
287 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.)
288
289 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:
290
291         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
292
293 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.
294
295         x := 2
296         x := x + 1
297         x == 3
298
299 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
300
301         x := x + 1
302         x := 2
303         x == 3
304
305 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
306
307 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
308 sense such that only so matters in imperatival languages.
309
310 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
311
312 *       dynamic versus static typing
313
314 *       dynamic versus lexical scoping
315
316 *       dynamic versus static control operators
317
318 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
319
320 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.
321
322 Map
323 ===
324
325 <table>
326 <tr>
327 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
328 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
329 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
330 Scheme (imperative part)<br>
331 OCaml (imperative part)</td>
332 <tr>
333 <td width=30%>lambda calculus<br>
334 combinatorial logic</td>
335 <tr>
336 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
337 <tr>
338 <td width=30%>&nbsp;
339 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
340 <td width=30%>&nbsp;
341 <tr>
342 <td width=30%>&nbsp;
343 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
344 <td width=30%>&nbsp;
345 </table>
346
347
348 Rosetta Stone
349 =============
350
351 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
352
353 1.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
354
355         In Scheme:
356
357                 (let* ((three 3))
358                           (let ((two 2))
359                                    (+ three two)))
360
361         In OCaml:
362
363                 let three = 3 in
364                         let two = 2 in
365                                 three + two
366
367         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:
368
369                 let three = 3 in
370                         let two = 2 in
371                                 ( + ) three two
372
373         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.
374
375         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
376
377                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
378         
379         In an ordinary imperatival language like C:
380
381                 int three = 3;
382                 int two = 2;
383                 three + two;
384
385 2.      Mutation
386
387         In C this looks almost the same as what we had before:
388
389                 int x = 3;
390                 x = 2;
391
392         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
393
394         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
395
396                 (let ((x (box 3)))
397                          (set-box! x 2))
398
399         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.
400
401         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
402
403                 let x = ref 3 in
404                         x := 2
405
406         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.
407
408         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.
409
410
411
412
413
414 3.      Anonymous functions
415
416         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.
417
418         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.
419
420         In the lambda calculus:
421
422                 (\x M)
423
424         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
425
426                 ((\y N) (\x M))
427
428         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
429
430         In Scheme, the same thing is written:
431
432                 (lambda (x) M)
433
434         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:
435
436                 (lambda (x) (+ 3 x))
437
438         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.
439
440         In OCaml, we write our anonymous function like this:
441
442                 fun x -> (3 + x)
443
444         or:
445
446                 fun x -> (( + ) 3 x)
447
448         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:
449
450                 fun x -> ( + ) 3 x
451
452         or:
453
454                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
455
456         As we saw above, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
457
458 4.      Supplying an argument to an anonymous function
459
460         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:
461
462                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
463
464         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
465
466         In OCaml:
467
468                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
469
470
471 5.      Binding variables to values with "let"
472
473         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
474
475                 (let* ((three 3))
476                           (let ((two 2))
477                                    (+ three two)))
478
479         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:
480
481                 (let* ((three 3) (two 2))
482                           (+ three two))
483
484         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:
485
486                 (let* ((three 3))
487                           (let ((two 2))
488                                    (+ three two)))
489
490         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 `(...)`.
491
492         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
493
494                 (let* [(three (+ 1 2))]
495                           (let [(two 2)]
496                                    (+ three two)))
497         
498         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.
499
500         Repeating our starting point for reference:
501
502                 (let* [(three 3)]
503                           (let [(two 2)]
504                                    (+ three two)))
505
506         Recall in OCaml this same computation was written:
507
508                 let three = 3 in
509                         let two = 2 in
510                                 ( + ) three two
511
512 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
513
514         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
515
516                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
517
518         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
519
520                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
521
522         Read this several times until you understand it.
523
524 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
525
526         In Scheme:
527
528                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
529
530         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)`.
531
532         Similarly, in OCaml:
533
534                 let bar = fun x -> B in
535                         M
536
537         This in Scheme:
538
539                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
540
541         as we've said, means the same as:
542
543                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
544
545         which, as we'll see, is equivalent to:
546
547                 ((lambda (x) B) A)
548
549         and that means the same as:
550
551                 (let* [(x A)] B)
552
553         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
554
555         Similarly, this in OCaml:
556
557                 let bar = fun x -> B in
558                         bar A
559
560         is equivalent to:
561
562                 (fun x -> B) A
563
564         and that means the same as:
565
566                 let x = A in
567                         B
568
569 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
570
571         What if you want to do something like this, in Scheme?
572
573                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
574
575         or this, in OCaml:
576
577                 let x = A in
578                         ... for the rest of the file or interactive session ...
579
580         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
581
582                 (define x A)
583                 ... rest of the file or interactive session ...
584
585         In OCaml it's written like this:
586
587                 let x = A;;
588                 ... rest of the file or interactive session ...
589
590         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.)
591
592
593 9.      Some shorthand
594
595         OCaml permits you to abbreviate:
596
597                 let bar = fun x -> B in
598                         M
599
600         as:
601
602                 let bar x = B in
603                         M
604
605         It also permits you to abbreviate:
606
607                 let bar = fun x -> B;;
608
609         as:
610
611                 let bar x = B;;
612
613         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
614
615                 (define bar (lambda (x) B))
616
617         as:
618
619                 (define (bar x) B)
620
621         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
622
623         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
624
625                 (define (bar x) B)
626
627         just means:
628
629                 (define bar (lambda (x) B))
630
631         which just means:
632
633                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
634
635         which just means:
636
637                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
638
639         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
640
641
642 10.     Shadowing
643
644         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
645
646                 let x = 3 in
647                         let x = 2 in
648                                 x
649
650         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:
651
652                 int x = 3;
653                 x = 2;
654         
655         <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.
656
657         The OCaml expression just means:
658
659                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
660
661         and there's no more mutation going on there than there is in:
662
663         <pre>
664         <code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))</code>
665         </pre>
666
667         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.
668
669
670 Some more comparisons between Scheme and OCaml
671 ----------------------------------------------
672
673 11.     Simple predefined values
674
675         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
676         In OCaml: `2`, `3`
677
678         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
679         In OCaml: `true`, `false`
680
681         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
682         In OCaml: `'h'`
683
684 12.     Compound values
685
686         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
687
688         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)`  
689         In OCaml: `(2, 3)`
690
691         Lists in Scheme: `'(2 3)`  
692         In OCaml: `[2; 3]`  
693         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
694
695         The empty list, in Scheme: `'()`  
696         In OCaml: `[]`
697
698         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
699         In OCaml: `"h"`
700
701         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
702         In OCaml: `"horse"`
703
704         A shorter string, in Scheme: `""`  
705         In OCaml: `""`
706
707 13.     Function application
708
709         Binary functions in OCaml: `foo 2 3`
710         
711         Or: `( + ) 2 3`
712
713         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.
714
715         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.
716
717         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.
718
719
720 What "sequencing" is and isn't
721 ------------------------------
722
723 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.
724
725 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
726
727 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,
728
729 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.
730
731 Third, the kinds of bindings we see in:
732
733         (define foo A)
734         (foo 2)
735
736 Or even:
737
738         (define foo A)
739         (define foo B)
740         (foo 2)
741
742 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.
743
744 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
745
746         (begin A B C)
747
748 In OCaml it looks like this:
749
750         begin A; B; C end
751
752 Or this:
753
754         (A; B; C)
755
756 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
757
758         (begin (print "under") (print "water"))
759         
760         (begin (print "water") (print "under"))
761
762 And so too these:
763
764         begin x := 3; x := 2; x end
765
766         begin x := 2; x := 3; x end
767
768 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
769
770         begin A; B; C end
771
772 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
773
774         begin A; B; C end
775
776 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.
777
778 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
779
780
781 1.      Declarative vs imperatival models of computation.
782 2.      Variety of ways in which "order can matter."
783 3.      Variety of meanings for "dynamic."
784 4.      Schoenfinkel, Curry, Church: a brief history
785 5.      Functions as "first-class values"
786 6.      "Curried" functions
787
788 1.      Beta reduction
789 1.      Encoding pairs (and triples and ...)
790 1.      Encoding booleans
791
792
793
794
795