c1759a373a781d1f80d56cae235f84d84bf80462
[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
38 Declarative/functional vs Imperatival/dynamic models of computation
39 ===================================================================
40
41 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.
42
43 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 pâté 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.
44
45 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.
46
47 What the latter would amount to will become clearer as we build our way up to languages which are genuinely imperatival or dynamic.
48
49 Many of the slogans and keywords we'll encounter in discussions of these issues call for careful interpretation. They mean various different things.
50
51 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.
52
53 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.
54
55 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."
56
57 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":
58
59 true and true   = true
60
61 And then we'd notice that <code>* and false</code> has a different intepretation than <code>false and *</code>. (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.)
62
63 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:
64
65         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
66
67 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.
68
69         x := 2
70         x := x + 1
71         x == 3
72
73 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
74
75         x := x + 1
76         x := 2
77         x == 3
78
79 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
80
81 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
82 sense such that only so matters in imperatival languages.
83
84 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
85
86 *       dynamic versus static typing
87
88 *       dynamic versus lexical scoping
89
90 *       dynamic versus static control operators
91
92 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
93
94 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.
95
96 Map
97 ===
98
99 <table>
100 <tr>
101 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
102 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
103 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
104 Scheme (imperative part)<br>
105 OCaml (imperative part)</td>
106 <tr>
107 <td width=30%>lambda calculus<br>
108 combinatorial logic</td>
109 <tr>
110 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
111 <tr>
112 <td width=30%>&nbsp;
113 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
114 <td width=30%>&nbsp;
115 <tr>
116 <td width=30%>&nbsp;
117 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
118 <td width=30%>&nbsp;
119 </table>
120
121
122 Rosetta Stone
123 =============
124
125 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
126
127 1.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
128
129         In Scheme:
130
131                 (let* ((three 3))
132                           (let ((two 2))
133                                    (+ three two)))
134
135         In OCaml:
136
137                 let three = 3 in
138                         let two = 2 in
139                                 three + two
140
141         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:
142
143                 let three = 3 in
144                         let two = 2 in
145                                 ( + ) three two
146
147         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.
148
149         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
150
151                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
152         
153         In an ordinary imperatival language like C:
154
155                 int three = 3;
156                 int two = 2;
157                 three + two;
158
159 2.      Mutation
160
161         In C this looks almost the same as what we had before:
162
163                 int x = 3;
164                 x = 2;
165
166         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
167
168         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
169
170                 (let ((x (box 3)))
171                          (set-box! x 2))
172
173         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.
174
175         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
176
177                 let x = ref 3 in
178                         x := 2
179
180         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.
181
182         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.
183
184
185
186
187
188 3.      Anonymous functions
189
190         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.
191
192         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.
193
194         In the lambda calculus:
195
196                 (\x M)
197
198         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
199
200                 ((\y N) (\x M))
201
202         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
203
204         In Scheme, the same thing is written:
205
206                 (lambda (x) M)
207
208         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:
209
210                 (lambda (x) (+ 3 x))
211
212         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.
213
214         In OCaml, we write our anonymous function like this:
215
216                 fun x -> (3 + x)
217
218         or:
219
220                 fun x -> (( + ) 3 x)
221
222         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:
223
224                 fun x -> ( + ) 3 x
225
226         or:
227
228                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
229
230         As we saw above, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
231
232 4.      Supplying an argument to an anonymous function
233
234         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:
235
236                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
237
238         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
239
240         In OCaml:
241
242                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
243
244
245 5.      Binding variables to values with "let"
246
247         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
248
249                 (let* ((three 3))
250                           (let ((two 2))
251                                    (+ three two)))
252
253         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:
254
255                 (let* ((three 3) (two 2))
256                           (+ three two))
257
258         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:
259
260                 (let* ((three 3))
261                           (let ((two 2))
262                                    (+ three two)))
263
264         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 `(...)`.
265
266         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
267
268                 (let* [(three (+ 1 2))]
269                           (let [(two 2)]
270                                    (+ three two)))
271         
272         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.
273
274         Repeating our starting point for reference:
275
276                 (let* [(three 3)]
277                           (let [(two 2)]
278                                    (+ three two)))
279
280         Recall in OCaml this same computation was written:
281
282                 let three = 3 in
283                         let two = 2 in
284                                 ( + ) three two
285
286 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
287
288         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
289
290                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
291
292         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
293
294                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
295
296         Read this several times until you understand it.
297
298 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
299
300         In Scheme:
301
302                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
303
304         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)`.
305
306         Similarly, in OCaml:
307
308                 let bar = fun x -> B in
309                         M
310
311         This in Scheme:
312
313                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
314
315         as we've said, means the same as:
316
317                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
318
319         which, as we'll see, is equivalent to:
320
321                 ((lambda (x) B) A)
322
323         and that means the same as:
324
325                 (let* [(x A)] B)
326
327         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
328
329         Similarly, this in OCaml:
330
331                 let bar = fun x -> B in
332                         bar A
333
334         is equivalent to:
335
336                 (fun x -> B) A
337
338         and that means the same as:
339
340                 let x = A in
341                         B
342
343 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
344
345         What if you want to do something like this, in Scheme?
346
347                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
348
349         or this, in OCaml:
350
351                 let x = A in
352                         ... for the rest of the file or interactive session ...
353
354         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
355
356                 (define x A)
357                 ... rest of the file or interactive session ...
358
359         In OCaml it's written like this:
360
361                 let x = A;;
362                 ... rest of the file or interactive session ...
363
364         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.)
365
366
367 9.      Some shorthand
368
369         OCaml permits you to abbreviate:
370
371                 let bar = fun x -> B in
372                         M
373
374         as:
375
376                 let bar x = B in
377                         M
378
379         It also permits you to abbreviate:
380
381                 let bar = fun x -> B;;
382
383         as:
384
385                 let bar x = B;;
386
387         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
388
389                 (define bar (lambda (x) B))
390
391         as:
392
393                 (define (bar x) B)
394
395         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
396
397         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
398
399                 (define (bar x) B)
400
401         just means:
402
403                 (define bar (lambda (x) B))
404
405         which just means:
406
407                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
408
409         which just means:
410
411                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
412
413         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
414
415
416 10.     Shadowing
417
418         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
419
420                 let x = 3 in
421                         let x = 2 in
422                                 x
423
424         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:
425
426                 int x = 3;
427                 x = 2;
428         
429         <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.
430
431         The OCaml expression just means:
432
433                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
434
435         and there's no more mutation going on there than there is in:
436
437         <pre>
438         <code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))</code>
439         </pre>
440
441         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.
442
443
444 Some more comparisons between Scheme and OCaml
445 ----------------------------------------------
446
447 11.     Simple predefined values
448
449         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
450         In OCaml: `2`, `3`
451
452         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
453         In OCaml: `true`, `false`
454
455         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
456         In OCaml: `'h'`
457
458 12.     Compound values
459
460         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
461
462         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)`  
463         In OCaml: `(2, 3)`
464
465         Lists in Scheme: `'(2 3)`  
466         In OCaml: `[2; 3]`  
467         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
468
469         The empty list, in Scheme: `'()`  
470         In OCaml: `[]`
471
472         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
473         In OCaml: `"h"`
474
475         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
476         In OCaml: `"horse"`
477
478         A shorter string, in Scheme: `""`  
479         In OCaml: `""`
480
481 13.     Function application
482
483         Binary functions in OCaml: `foo 2 3`
484         
485         Or: `( + ) 2 3`
486
487         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.
488
489         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.
490
491         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.
492
493
494 What "sequencing" is and isn't
495 ------------------------------
496
497 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.
498
499 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
500
501 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,
502
503 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.
504
505 Third, the kinds of bindings we see in:
506
507         (define foo A)
508         (foo 2)
509
510 Or even:
511
512         (define foo A)
513         (define foo B)
514         (foo 2)
515
516 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.
517
518 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
519
520         (begin A B C)
521
522 In OCaml it looks like this:
523
524         begin A; B; C end
525
526 Or this:
527
528         (A; B; C)
529
530 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
531
532         (begin (print "under") (print "water"))
533         
534         (begin (print "water") (print "under"))
535
536 And so too these:
537
538         begin x := 3; x := 2; x end
539
540         begin x := 2; x := 3; x end
541
542 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
543
544         begin A; B; C end
545
546 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
547
548         begin A; B; C end
549
550 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.
551
552 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
553
554
555
556 Basics of Lambda Calculus
557 =========================
558
559 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.)
560
561 Here is its syntax:
562
563 <blockquote>
564 <strong>Variables</strong>: <code>x</code>, <code>y</code>, <code>z</code>...
565 </blockquote>
566
567 Each variable is an expression. For any expressions M and N and variable a, the following are also expressions:
568
569 <blockquote>
570 <strong>Abstract</strong>: <code>(&lambda;a M)</code>
571 </blockquote>
572
573 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)`.
574
575 <blockquote>
576 <strong>Application</strong>: <code>(M N)</code>
577 </blockquote>
578
579 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.
580
581 Examples of expressions:
582
583         x
584         (y x)
585         (x x)
586         (\x y)
587         (\x x)
588         (\x (\y x))
589         (x (\x x))
590         ((\x (x x)) (\x (x x)))
591
592 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:
593
594         ((\a M) N)
595
596 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**.
597
598 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
599
600         M [a:=N]
601
602 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
603
604 What is a free occurrence?
605
606 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
607
608 >       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`.
609
610 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
611
612 For instance:
613
614
615 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
616
617 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.
618
619 Here's an example of beta-reduction:
620
621         ((\x (y x)) z)
622
623 beta-reduces to:
624
625         (y z)
626
627 We'll write that like this:
628
629         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
630
631 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:
632
633         M ~~> N
634
635 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>.
636
637 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:
638
639         M <~~> N
640
641 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.)
642
643 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:
644
645 >       T is defined to be `(M N)`.
646
647 We'll regard the following two expressions:
648
649         (\x (x y))
650
651         (\z (z y))
652
653 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.
654
655 Note that neither of those expressions are identical to:
656
657         (\x (x w))
658
659 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
660
661         (\y (y y))
662
663 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
664
665 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.
666
667
668 Shorthand
669 ---------
670
671 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.)
672
673
674 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
675 paren as far the right as possible without creating unbalanced
676 parentheses". So:
677
678         (\x (\y (x y)))
679
680 can be abbreviated as:
681
682         (\x (\y. x y))
683
684 and:
685
686         (\x (\y. (z y) z))
687
688 would abbreviate:
689
690         (\x (\y ((z y) z)))
691
692 This on the other hand:
693
694         (\x (\y. z y) z)
695
696 would abbreviate:
697
698         (\x (\y (z y)) z)
699
700 **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:
701
702         (\x. x y)
703
704 as:
705
706         \x. x y
707
708 but you should include the parentheses in:
709
710         (\x. x y) z
711
712 and:
713
714         z (\x. x y)
715
716 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
717
718         (\x y. M)
719
720 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
721
722         (\x y z. M)
723
724
725 Lambda terms represent functions
726 --------------------------------
727
728 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
729 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
730
731 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
732 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
733
734 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
735 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
736
737 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
738 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
739
740 and so on.
741
742 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
743 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
744
745         (\x x)
746
747 and:
748
749         (\z z)
750
751 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:
752
753         (\y x. y x) (\z z)
754
755         (\x. (\z z) x)
756
757         (\z z)
758
759 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.
760
761 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.
762
763 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).
764
765
766
767 Booleans and pairs
768 ==================
769
770 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
771
772
773 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
774 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
775 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
776 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
777 proposed answers to the assignment.
778
779
780
781
782
783 1.      Declarative vs imperatival models of computation.
784 2.      Variety of ways in which "order can matter."
785 3.      Variety of meanings for "dynamic."
786 4.      Schoenfinkel, Curry, Church: a brief history
787 5.      Functions as "first-class values"
788 6.      "Curried" functions
789
790 1.      Beta reduction
791 1.      Encoding pairs (and triples and ...)
792 1.      Encoding booleans
793
794
795
796
797