week1: fix markup processing?
[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'll probably just say "term" and "expression" indiscriminately for expressions of any of these three forms.
61
62 Examples of expressions:
63
64         x
65
66 The lambda calculus has an associated proof theory. For now, we can regard the
67 proof theory as having just one rule, called the rule of **beta-reduction** or
68 "beta-contraction". Suppose you have some expression of the form:
69
70         ((\ a M) N)
71
72 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**.
73
74 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
75
76         M [a:=N]
77
78 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
79
80 What is a free occurrence?
81
82 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
83
84 >       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`.
85
86 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
87
88 For instance:
89
90
91 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
92
93 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.
94
95 Here's an example of beta-reduction:
96
97         ((\x (y x)) z)
98
99 beta-reduces to:
100
101         (y z)
102
103 We'll write that like this:
104
105         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
106
107 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:
108
109         M ~~> N
110
111 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>.
112
113 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:
114
115         M <~~> N
116
117 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.)
118
119 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:
120
121 >       T is defined to be `(M N)`.
122
123 We'll regard the following two expressions:
124
125         (\x (x y))
126
127         (\z (z y))
128
129 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.
130
131 Note that neither of those expressions are identical to:
132
133         (\x (x w))
134
135 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
136
137         (\y (y y))
138
139 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
140
141 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.
142
143
144 Shorthand
145 ---------
146
147 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.)
148
149
150 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
151 paren as far the right as possible without creating unbalanced
152 parentheses". So:
153
154         (\x (\y (x y)))
155
156 can be abbreviated as:
157
158         (\x (\y. x y))
159
160 and:
161
162         (\x (\y. (z y) z))
163
164 would abbreviate:
165
166         (\x (\y ((z y) z)))
167
168 This on the other hand:
169
170         (\x (\y. z y) z)
171
172 would abbreviate:
173
174         (\x (\y (z y)) z)
175
176 **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:
177
178         (\x. x y)
179
180 as:
181
182         \x. x y
183
184 but you should include the parentheses in:
185
186         (\x. x y) z
187
188 and:
189
190         z (\x. x y)
191
192 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
193
194         (\x y. M)
195
196 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
197
198         (\x y z. M)
199
200
201 Lambda terms represent functions
202 --------------------------------
203
204 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
205 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
206
207 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
208 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
209
210 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
211 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
212
213 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
214 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
215
216 and so on.
217
218 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
219 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
220
221         (\x x)
222
223 and:
224
225         (\z z)
226
227 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:
228
229         (\y x. y x) (\z z)
230
231         (\x. (\z z) x)
232
233         (\z z)
234
235 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.
236
237 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.
238
239 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).
240
241
242
243 Booleans and pairs
244 ==================
245
246 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
247
248
249 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
250 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
251 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
252 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
253 proposed answers to the assignment.
254
255
256
257
258
259
260 Declarative/functional vs Imperatival/dynamic models of computation
261 ===================================================================
262
263 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.
264
265 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.
266
267 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.
268
269 What the latter would amount to will become clearer as we build our way up to languages which are genuinely imperatival or dynamic.
270
271 Many of the slogans and keywords we'll encounter in discussions of these issues call for careful interpretation. They mean various different things.
272
273 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.
274
275 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.
276
277 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."
278
279 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":
280
281 <pre><code>
282 true and true   = true
283 true and true   = true
284 true and *      = *
285 true and false  = false
286 * and true      = *
287 * and *         = *
288 * and false     = *
289 false and true  = false
290 false and *     = false
291 false and false = false
292 </code></pre>
293
294 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.)
295
296 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:
297
298         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
299
300 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.
301
302         x := 2
303         x := x + 1
304         x == 3
305
306 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
307
308         x := x + 1
309         x := 2
310         x == 3
311
312 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
313
314 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
315 sense such that only so matters in imperatival languages.
316
317 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
318
319 *       dynamic versus static typing
320
321 *       dynamic versus lexical scoping
322
323 *       dynamic versus static control operators
324
325 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
326
327 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.
328
329 Map
330 ===
331
332 <table>
333 <tr>
334 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
335 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
336 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
337 Scheme (imperative part)<br>
338 OCaml (imperative part)</td>
339 <tr>
340 <td width=30%>lambda calculus<br>
341 combinatorial logic</td>
342 <tr>
343 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
344 <tr>
345 <td width=30%>&nbsp;
346 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
347 <td width=30%>&nbsp;
348 <tr>
349 <td width=30%>&nbsp;
350 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
351 <td width=30%>&nbsp;
352 </table>
353
354
355 Rosetta Stone
356 =============
357
358 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
359
360 1.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
361
362         In Scheme:
363
364                 (let* ((three 3))
365                           (let ((two 2))
366                                    (+ three two)))
367
368         In OCaml:
369
370                 let three = 3 in
371                         let two = 2 in
372                                 three + two
373
374         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:
375
376                 let three = 3 in
377                         let two = 2 in
378                                 ( + ) three two
379
380         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.
381
382         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
383
384                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
385         
386         In an ordinary imperatival language like C:
387
388                 int three = 3;
389                 int two = 2;
390                 three + two;
391
392 2.      Mutation
393
394         In C this looks almost the same as what we had before:
395
396                 int x = 3;
397                 x = 2;
398
399         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
400
401         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
402
403                 (let ((x (box 3)))
404                          (set-box! x 2))
405
406         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.
407
408         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
409
410                 let x = ref 3 in
411                         x := 2
412
413         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.
414
415         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.
416
417
418
419
420
421 3.      Anonymous functions
422
423         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.
424
425         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.
426
427         In the lambda calculus:
428
429                 (\x M)
430
431         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
432
433                 ((\y N) (\x M))
434
435         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
436
437         In Scheme, the same thing is written:
438
439                 (lambda (x) M)
440
441         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:
442
443                 (lambda (x) (+ 3 x))
444
445         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.
446
447         In OCaml, we write our anonymous function like this:
448
449                 fun x -> (3 + x)
450
451         or:
452
453                 fun x -> (( + ) 3 x)
454
455         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:
456
457                 fun x -> ( + ) 3 x
458
459         or:
460
461                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
462
463         As we saw above, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
464
465 4.      Supplying an argument to an anonymous function
466
467         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:
468
469                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
470
471         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
472
473         In OCaml:
474
475                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
476
477
478 5.      Binding variables to values with "let"
479
480         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
481
482                 (let* ((three 3))
483                           (let ((two 2))
484                                    (+ three two)))
485
486         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:
487
488                 (let* ((three 3) (two 2))
489                           (+ three two))
490
491         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:
492
493                 (let* ((three 3))
494                           (let ((two 2))
495                                    (+ three two)))
496
497         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 `(...)`.
498
499         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
500
501                 (let* [(three (+ 1 2))]
502                           (let [(two 2)]
503                                    (+ three two)))
504         
505         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.
506
507         Repeating our starting point for reference:
508
509                 (let* [(three 3)]
510                           (let [(two 2)]
511                                    (+ three two)))
512
513         Recall in OCaml this same computation was written:
514
515                 let three = 3 in
516                         let two = 2 in
517                                 ( + ) three two
518
519 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
520
521         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
522
523                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
524
525         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
526
527                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
528
529         Read this several times until you understand it.
530
531 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
532
533         In Scheme:
534
535                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
536
537         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)`.
538
539         Similarly, in OCaml:
540
541                 let bar = fun x -> B in
542                         M
543
544         This in Scheme:
545
546                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
547
548         as we've said, means the same as:
549
550                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
551
552         which, as we'll see, is equivalent to:
553
554                 ((lambda (x) B) A)
555
556         and that means the same as:
557
558                 (let* [(x A)] B)
559
560         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
561
562         Similarly, this in OCaml:
563
564                 let bar = fun x -> B in
565                         bar A
566
567         is equivalent to:
568
569                 (fun x -> B) A
570
571         and that means the same as:
572
573                 let x = A in
574                         B
575
576 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
577
578         What if you want to do something like this, in Scheme?
579
580                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
581
582         or this, in OCaml:
583
584                 let x = A in
585                         ... for the rest of the file or interactive session ...
586
587         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
588
589                 (define x A)
590                 ... rest of the file or interactive session ...
591
592         In OCaml it's written like this:
593
594                 let x = A;;
595                 ... rest of the file or interactive session ...
596
597         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.)
598
599
600 9.      Some shorthand
601
602         OCaml permits you to abbreviate:
603
604                 let bar = fun x -> B in
605                         M
606
607         as:
608
609                 let bar x = B in
610                         M
611
612         It also permits you to abbreviate:
613
614                 let bar = fun x -> B;;
615
616         as:
617
618                 let bar x = B;;
619
620         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
621
622                 (define bar (lambda (x) B))
623
624         as:
625
626                 (define (bar x) B)
627
628         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
629
630         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
631
632                 (define (bar x) B)
633
634         just means:
635
636                 (define bar (lambda (x) B))
637
638         which just means:
639
640                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
641
642         which just means:
643
644                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
645
646         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
647
648
649 10.     Shadowing
650
651         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
652
653                 let x = 3 in
654                         let x = 2 in
655                                 x
656
657         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:
658
659                 int x = 3;
660                 x = 2;
661         
662         <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.
663
664         The OCaml expression just means:
665
666                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
667
668         and there's no more mutation going on there than there is in:
669
670         <pre>
671         <code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))</code>
672         </pre>
673
674         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.
675
676
677 Some more comparisons between Scheme and OCaml
678 ----------------------------------------------
679
680 11.     Simple predefined values
681
682         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
683         In OCaml: `2`, `3`
684
685         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
686         In OCaml: `true`, `false`
687
688         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
689         In OCaml: `'h'`
690
691 12.     Compound values
692
693         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
694
695         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)`  
696         In OCaml: `(2, 3)`
697
698         Lists in Scheme: `'(2 3)`  
699         In OCaml: `[2; 3]`  
700         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
701
702         The empty list, in Scheme: `'()`  
703         In OCaml: `[]`
704
705         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
706         In OCaml: `"h"`
707
708         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
709         In OCaml: `"horse"`
710
711         A shorter string, in Scheme: `""`  
712         In OCaml: `""`
713
714 13.     Function application
715
716         Binary functions in OCaml: `foo 2 3`
717         
718         Or: `( + ) 2 3`
719
720         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.
721
722         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.
723
724         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.
725
726
727 What "sequencing" is and isn't
728 ------------------------------
729
730 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.
731
732 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
733
734 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,
735
736 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.
737
738 Third, the kinds of bindings we see in:
739
740         (define foo A)
741         (foo 2)
742
743 Or even:
744
745         (define foo A)
746         (define foo B)
747         (foo 2)
748
749 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.
750
751 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
752
753         (begin A B C)
754
755 In OCaml it looks like this:
756
757         begin A; B; C end
758
759 Or this:
760
761         (A; B; C)
762
763 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
764
765         (begin (print "under") (print "water"))
766         
767         (begin (print "water") (print "under"))
768
769 And so too these:
770
771         begin x := 3; x := 2; x end
772
773         begin x := 2; x := 3; x end
774
775 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
776
777         begin A; B; C end
778
779 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
780
781         begin A; B; C end
782
783 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.
784
785 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
786
787
788
789
790 1.      Declarative vs imperatival models of computation.
791 2.      Variety of ways in which "order can matter."
792 3.      Variety of meanings for "dynamic."
793 4.      Schoenfinkel, Curry, Church: a brief history
794 5.      Functions as "first-class values"
795 6.      "Curried" functions
796
797 1.      Beta reduction
798 1.      Encoding pairs (and triples and ...)
799 1.      Encoding booleans
800
801
802
803
804