e175b6bb31f63deefa4a510ceafc4c630dcaaaa5
[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 Declarative/functional vs Imperatival/dynamic models of computation
36 ===================================================================
37
38 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.
39
40 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.
41
42 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.
43
44 What the latter would amount to will become clearer as we build our way up to languages which are genuinely imperatival or dynamic.
45
46 Many of the slogans and keywords we'll encounter in discussions of these issues call for careful interpretation. They mean various different things.
47
48 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.
49
50 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.
51
52 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."
53
54 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":
55
56         true and true   = true
57         true and *      = *
58         true and false  = false
59         * and true      = *
60         * and *         = *
61         * and false     = *
62         false and true  = false
63         false and *     = false
64         false and false = false
65
66 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.)
67
68 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:
69
70         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
71
72 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.
73
74         x := 2
75         x := x + 1
76         x == 3
77
78 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
79
80         x := x + 1
81         x := 2
82         x == 3
83
84 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
85
86 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
87 sense such that only so matters in imperatival languages.
88
89 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
90
91 *       dynamic versus static typing
92
93 *       dynamic versus lexical scoping
94
95 *       dynamic versus static control operators
96
97 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
98
99 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.
100
101 Map
102 ===
103
104 <table>
105 <tr>
106 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
107 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
108 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
109 Scheme (imperative part)<br>
110 OCaml (imperative part)</td>
111 <tr>
112 <td width=30%>lambda calculus<br>
113 combinatorial logic</td>
114 <tr>
115 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
116 <tr>
117 <td width=30%>&nbsp;
118 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
119 <td width=30%>&nbsp;
120 <tr>
121 <td width=30%>&nbsp;
122 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
123 <td width=30%>&nbsp;
124 </table>
125
126
127 Rosetta Stone
128 =============
129
130 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
131
132 1.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
133
134         In Scheme:
135
136                 (let* ((three 3))
137                           (let ((two 2))
138                                    (+ three two)))
139
140         In OCaml:
141
142                 let three = 3 in
143                         let two = 2 in
144                                 three + two
145
146         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:
147
148                 let three = 3 in
149                         let two = 2 in
150                                 ( + ) three two
151
152         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.
153
154         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
155
156                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
157         
158         In an ordinary imperatival language like C:
159
160                 int three = 3;
161                 int two = 2;
162                 three + two;
163
164 2.      Mutation
165
166         In C this looks almost the same as what we had before:
167
168                 int x = 3;
169                 x = 2;
170
171         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
172
173         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
174
175                 (let ((x (box 3)))
176                          (set-box! x 2))
177
178         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.
179
180         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
181
182                 let x = ref 3 in
183                         x := 2
184
185         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.
186
187         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.
188
189
190
191
192
193 3.      Anonymous functions
194
195         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.
196
197         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.
198
199         In the lambda calculus:
200
201                 (\x M)
202
203         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
204
205                 ((\y N) (\x M))
206
207         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
208
209         In Scheme, the same thing is written:
210
211                 (lambda (x) M)
212
213         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:
214
215                 (lambda (x) (+ 3 x))
216
217         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.
218
219         In OCaml, we write our anonymous function like this:
220
221                 fun x -> (3 + x)
222
223         or:
224
225                 fun x -> (( + ) 3 x)
226
227         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:
228
229                 fun x -> ( + ) 3 x
230
231         or:
232
233                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
234
235         As we'll see below, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
236
237 4.      Supplying an argument to an anonymous function
238
239         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:
240
241                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
242
243         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
244
245         In OCaml:
246
247                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
248
249
250 5.      Binding variables to values with "let"
251
252         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
253
254                 (let* ((three 3))
255                           (let ((two 2))
256                                    (+ three two)))
257
258         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:
259
260                 (let* ((three 3) (two 2))
261                           (+ three two))
262
263         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:
264
265                 (let* ((three 3))
266                           (let ((two 2))
267                                    (+ three two)))
268
269         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 `(...)`.
270
271         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
272
273                 (let* [(three (+ 1 2))]
274                           (let [(two 2)]
275                                    (+ three two)))
276         
277         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.
278
279         Repeating our starting point for reference:
280
281                 (let* [(three 3)]
282                           (let [(two 2)]
283                                    (+ three two)))
284
285         Recall in OCaml this same computation was written:
286
287                 let three = 3 in
288                         let two = 2 in
289                                 ( + ) three two
290
291 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
292
293         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
294
295                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
296
297         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
298
299                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
300
301         Read this several times until you understand it.
302
303 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
304
305         In Scheme:
306
307                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
308
309         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)`.
310
311         Similarly, in OCaml:
312
313                 let bar = fun x -> B in
314                         M
315
316         This in Scheme:
317
318                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
319
320         as we've said, means the same as:
321
322                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
323
324         which, as we'll see, is equivalent to:
325
326                 ((lambda (x) B) A)
327
328         and that means the same as:
329
330                 (let* [(x A)] B)
331
332         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
333
334         Similarly, this in OCaml:
335
336                 let bar = fun x -> B in
337                         bar A
338
339         is equivalent to:
340
341                 (fun x -> B) A
342
343         and that means the same as:
344
345                 let x = A in
346                         B
347
348 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
349
350         What if you want to do something like this, in Scheme?
351
352                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
353
354         or this, in OCaml:
355
356                 let x = A in
357                         ... for the rest of the file or interactive session ...
358
359         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
360
361                 (define x A)
362                 ... rest of the file or interactive session ...
363
364         In OCaml it's written like this:
365
366                 let x = A;;
367                 ... rest of the file or interactive session ...
368
369         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 below.)
370
371
372 9.      Some shorthand
373
374         OCaml permits you to abbreviate:
375
376                 let bar = fun x -> B in
377                         M
378
379         as:
380
381                 let bar x = B in
382                         M
383
384         It also permits you to abbreviate:
385
386                 let bar = fun x -> B;;
387
388         as:
389
390                 let bar x = B;;
391
392         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
393
394                 (define bar (lambda (x) B))
395
396         as:
397
398                 (define (bar x) B)
399
400         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
401
402         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
403
404                 (define (bar x) B)
405
406         just means:
407
408                 (define bar (lambda (x) B))
409
410         which just means:
411
412                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
413
414         which just means:
415
416                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
417
418         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
419
420
421 10.     Shadowing
422
423         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
424
425                 let x = 3 in
426                         let x = 2 in
427                                 x
428
429         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:
430
431                 int x = 3;
432                 x = 2;
433         
434         *but it's not the same!* In the latter case we have mutation, in the former case we don't. You will learn to recognize the difference as we proceed.
435
436         The OCaml expression just means:
437
438                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
439
440         and there's no more change of state going on here than there is in:
441
442         <blockquote>
443         <code>&exist;x. (F x and &exist;x (not (F x)))</code>
444         </blockquote>
445
446
447 Some more comparisons between Scheme and OCaml
448 ----------------------------------------------
449
450 11.     Simple predefined values
451
452         Numbers in Scheme: 2, 3
453         In OCaml: 2, 3
454
455         Booleans in Scheme: #t, #f
456         In OCaml: true, false
457
458         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: #\h
459         In OCaml: 'h'
460
461 12.     Compound values
462
463         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
464
465         Ordered pairs in Scheme: '(2 . 3)
466         In OCaml: (2, 3)
467
468         Lists in Scheme: '(2 3)
469         In OCaml: [2; 3]
470         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
471
472         The empty list, in Scheme: '()
473         In OCaml: []
474
475         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: "h"
476         In OCaml: "h"
477
478         A longer string, in Scheme: "horse"
479         In OCaml: "horse"
480
481         A shorter string, in Scheme: ""
482         In OCaml: ""
483
484 13.     Function application
485
486         Binary functions in OCaml: foo 2 3
487         
488         Or: ( + ) 2 3
489
490         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.
491
492         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.
493
494         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.
495
496
497
498
499
500
501
502 Computation = sequencing changes?
503
504         Different notions of sequencing
505
506         Concatanation / syntactic complexity is not sequencing
507
508         Shadowing is not mutating
509
510         Define isn't mutating
511
512
513
514                 
515 (let [(three 3) (two 2)] (+ 3 2))
516
517
518
519 Basics of Lambda Calculus
520 =========================
521
522 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.)
523
524 Here is its syntax:
525
526 <blockquote>
527 <strong>Variables</strong>: <code>x</code>, <code>y</code>, <code>z</code>...
528 </blockquote>
529
530 Each variable is an expression. For any expressions M and N and variable a, the following are also expressions:
531
532 <blockquote>
533 <strong>Abstract</strong>: <code>(&lambda;a M)</code>
534 </blockquote>
535
536 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)`.
537
538 <blockquote>
539 <strong>Application</strong>: <code>(M N)</code>
540 </blockquote>
541
542 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.
543
544 Examples of expressions:
545
546         x
547         (y x)
548         (x x)
549         (\x y)
550         (\x x)
551         (\x (\y x))
552         (x (\x x))
553         ((\x (x x)) (\x (x x)))
554
555 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:
556
557         ((\a M) N)
558
559 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**.
560
561 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
562
563         M [a:=N]
564
565 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
566
567 What is a free occurrence?
568
569 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
570
571 >       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`.
572
573 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
574
575 For instance:
576
577
578 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
579
580 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.
581
582 Here's an example of beta-reduction:
583
584         ((\x (y x)) z)
585
586 beta-reduces to:
587
588         (y z)
589
590 We'll write that like this:
591
592         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
593
594 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:
595
596         M ~~> N
597
598 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>.
599
600 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:
601
602         M <~~> N
603
604 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.)
605
606 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:
607
608 >       T is defined to be `(M N)`.
609
610 We'll regard the following two expressions:
611
612         (\x (x y))
613
614         (\z (z y))
615
616 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.
617
618 Note that neither of those expressions are identical to:
619
620         (\x (x w))
621
622 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
623
624         (\y (y y))
625
626 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
627
628 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.
629
630
631 Shorthand
632 ---------
633
634 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.)
635
636
637 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
638 paren as far the right as possible without creating unbalanced
639 parentheses". So:
640
641         (\x (\y (x y)))
642
643 can be abbreviated as:
644
645         (\x (\y. x y))
646
647 and:
648
649         (\x (\y. (z y) z))
650
651 would abbreviate:
652
653         (\x (\y ((z y) z)))
654
655 This on the other hand:
656
657         (\x (\y. z y) z)
658
659 would abbreviate:
660
661         (\x (\y (z y)) z)
662
663 **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:
664
665         (\x. x y)
666
667 as:
668
669         \x. x y
670
671 but you should include the parentheses in:
672
673         (\x. x y) z
674
675 and:
676
677         z (\x. x y)
678
679 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
680
681         (\x y. M)
682
683 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
684
685         (\x y z. M)
686
687
688 Lambda terms represent functions
689 --------------------------------
690
691 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
692 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
693
694 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
695 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
696
697 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
698 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
699
700 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
701 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
702
703 and so on.
704
705 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
706 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
707
708         (\x x)
709
710 and:
711
712         (\z z)
713
714 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:
715
716         (\y x. y x) (\z z)
717
718         (\x. (\z z) x)
719
720         (\z z)
721
722 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.
723
724 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.
725
726 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).
727
728
729
730 Booleans and pairs
731 ==================
732
733 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
734
735
736 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
737 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
738 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
739 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
740 proposed answers to the assignment.
741
742
743
744 1.      Declarative vs imperatival models of computation.
745 2.      Variety of ways in which "order can matter."
746 3.      Variety of meanings for "dynamic."
747 4.      Schoenfinkel, Curry, Church: a brief history
748 5.      Functions as "first-class values"
749 6.      "Curried" functions
750
751 1.      Beta reduction
752 1.      Encoding pairs (and triples and ...)
753 1.      Encoding booleans
754
755
756
757
758