e65919563b4ac23de3d1140d07172f6e9f141f14
[lambda.git] / week1.mdwn
1 Here's what we did in seminar on Monday 9/13,
2
3 Sometimes these notes will expand on things mentioned only briefly in class, or discuss useful tangents that didn't even make it into class. These notes expand on *a lot*, and some of this material will be reviewed next week.
4
5 Applications
6 ============
7
8 We mentioned a number of linguistic and philosophical applications of the tools that we'd be helping you learn in the seminar. (We really do mean "helping you learn," not "teaching you." You'll need to aggressively browse and experiment with the material yourself, or nothing we do in a few two-hour sessions will succeed in inducing mastery of it.)
9
10 From linguistics
11 ----------------
12
13 *       generalized quantifiers are a special case of operating on continuations
14
15 *       (Chris: fill in other applications...)
16
17 *       expressives -- at the end of the seminar we gave a demonstration of modeling [[damn]] using continuations...see the [summary](/damn) for more explanation and elaboration
18
19 From philosophy
20 ---------------
21
22 *       the natural semantics for positive free logic is thought by some to have objectionable ontological commitments; Jim says that thought turns on not understanding the notion of a "union type", and conflating the folk notion of "naming" with the technical notion of semantic value. We'll discuss this in due course.
23
24 *       those issues may bear on Russell's Gray's Elegy argument in "On Denoting"
25
26 *       and on discussion of the difference between the meaning of "is beautiful" and "beauty," and the difference between the meaning of "that snow is white" and "the proposition that snow is white."
27
28 *       the apparatus of monads, and techniques for statically representing the semantics of an imperatival language quite generally, are explicitly or implicitly invoked in dynamic semantics
29
30 *       the semantics for mutation will enable us to make sense of a difference between numerical and qualitative identity---for purely mathematical objects!
31
32 *       issues in that same neighborhood will help us better understand proposals like Kit Fine's that semantics is essentially coordinated, and that `R a a` and `R a b` can differ in interpretation even when `a` and `b` don't
33
34
35
36
37 Basics of Lambda Calculus
38 =========================
39
40 The lambda calculus we'll be focusing on for the first part of the course has no types. (Some prefer to say it instead has a single type---but if you say that, you have to say that functions from this type to this type also belong to this type. Which is weird.)
41
42 Here is its syntax:
43
44 <blockquote>
45 <strong>Variables</strong>: <code>x</code>, <code>y</code>, <code>z</code>...
46 </blockquote>
47
48 Each variable is an expression. For any expressions M and N and variable a, the following are also expressions:
49
50 <blockquote>
51 <strong>Abstract</strong>: <code>(&lambda;a M)</code>
52 </blockquote>
53
54 We'll tend to write <code>(&lambda;a M)</code> as just `(\a M)`, so we don't have to write out the markup code for the <code>&lambda;</code>. You can yourself write <code>(&lambda;a M)</code> or `(\a M)` or `(lambda a M)`.
55
56 <blockquote>
57 <strong>Application</strong>: <code>(M N)</code>
58 </blockquote>
59
60 Some authors reserve the term "term" for just variables and abstracts. We won't participate in that convention; we'll probably just say "term" and "expression" indiscriminately for expressions of any of these three forms.
61
62 Examples of expressions:
63
64         x
65         (y x)
66         (x x)
67         (\x y)
68         (\x x)
69         (\x (\y x))
70         (x (\x x))
71         ((\x (x x)) (\x (x x)))
72
73 <p>
74 The lambda calculus has an associated proof theory. For now, we can regard the
75 proof theory as having just one rule, called the rule of **beta-reduction** or
76 "beta-contraction". Suppose you have some expression of the form:
77
78         ((\a M) N)
79
80 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**.
81
82 The rule of beta-reduction permits a transition from that expression to the following:
83
84         M [a:=N]
85
86 What this means is just `M`, with any *free occurrences* inside `M` of the variable `a` replaced with the term `N`.
87
88 What is a free occurrence?
89
90 >       An occurrence of a variable `a` is **bound** in T if T has the form `(\a N)`.
91
92 >       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`.
93
94 >       An occurrence of a variable is **free** if it's not bound.
95
96 For instance:
97
98
99 >       T is defined to be `(x (\x (\y (x (y z)))))`
100
101 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.
102
103 Here's an example of beta-reduction:
104
105         ((\x (y x)) z)
106
107 beta-reduces to:
108
109         (y z)
110
111 We'll write that like this:
112
113         ((\x (y x)) z) ~~> (y z)
114
115 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:
116
117         M ~~> N
118
119 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>.
120
121 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:
122
123         M <~~> N
124
125 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.)
126
127 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:
128
129 >       T is defined to be `(M N)`.
130
131 We'll regard the following two expressions:
132
133         (\x (x y))
134
135         (\z (z y))
136
137 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.
138
139 Note that neither of those expressions are identical to:
140
141         (\x (x w))
142
143 because here it's a free variable that's been changed. Nor are they identical to:
144
145         (\y (y y))
146
147 because here the second occurrence of `y` is no longer free.
148
149 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.
150
151
152 Shorthand
153 ---------
154
155 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.)
156
157
158 **Dot notation** Dot means "put a left paren here, and put the right
159 paren as far the right as possible without creating unbalanced
160 parentheses". So:
161
162         (\x (\y (x y)))
163
164 can be abbreviated as:
165
166         (\x (\y. x y))
167
168 and:
169
170         (\x (\y. (z y) z))
171
172 would abbreviate:
173
174         (\x (\y ((z y) z)))
175
176 This on the other hand:
177
178         (\x (\y. z y) z)
179
180 would abbreviate:
181
182         (\x (\y (z y)) z)
183
184 **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:
185
186         (\x. x y)
187
188 as:
189
190         \x. x y
191
192 but you should include the parentheses in:
193
194         (\x. x y) z
195
196 and:
197
198         z (\x. x y)
199
200 **Merging lambdas** An expression of the form `(\x (\y M))`, or equivalently, `(\x. \y. M)`, can be abbreviated as:
201
202         (\x y. M)
203
204 Similarly, `(\x (\y (\z M)))` can be abbreviated as:
205
206         (\x y z. M)
207
208
209 Lambda terms represent functions
210 --------------------------------
211
212 All (recursively computable) functions can be represented by lambda
213 terms (the untyped lambda calculus is Turing complete). For some lambda terms, it is easy to see what function they represent:
214
215 >       `(\x x)` represents the identity function: given any argument `M`, this function
216 simply returns `M`: `((\x x) M) ~~> M`.
217
218 >       `(\x (x x))` duplicates its argument:
219 `((\x (x x)) M) ~~> (M M)`
220
221 >       `(\x (\y x))` throws away its second argument:
222 `(((\x (\y x)) M) N) ~~> M`
223
224 and so on.
225
226 It is easy to see that distinct lambda expressions can represent the same
227 function, considered as a mapping from input to outputs. Obviously:
228
229         (\x x)
230
231 and:
232
233         (\z z)
234
235 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:
236
237         (\y x. y x) (\z z)
238
239         (\x. (\z z) x)
240
241         (\z z)
242
243 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.
244
245 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.
246
247 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).
248
249
250
251 Booleans and pairs
252 ==================
253
254 Our definition of these is reviewed in [[Assignment1]].
255
256
257 It's possible to do the assignment without using a Scheme interpreter, however
258 you should take this opportunity to [get Scheme installed on your
259 computer](/how_to_get_the_programming_languages_running_on_your_computer), and
260 [get started learning Scheme](/learning_scheme). It will help you test out
261 proposed answers to the assignment.
262
263
264
265
266
267
268 Declarative/functional vs Imperatival/dynamic models of computation
269 ===================================================================
270
271 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.
272
273 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.
274
275 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.
276
277 What the latter would amount to will become clearer as we build our way up to languages which are genuinely imperatival or dynamic.
278
279 Many of the slogans and keywords we'll encounter in discussions of these issues call for careful interpretation. They mean various different things.
280
281 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.
282
283 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.
284
285 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."
286
287 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":
288
289 <pre><code>
290 true and true   = true
291 true and true   = true
292 true and *      = *
293 true and false  = false
294 * and true      = *
295 * and *         = *
296 * and false     = *
297 false and true  = false
298 false and *     = false
299 false and false = false
300 </code></pre>
301
302 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.)
303
304 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:
305
306         (\x. y) ((\x. x x) (\x. x x))
307
308 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.
309
310         x := 2
311         x := x + 1
312         x == 3
313
314 Here the comparison in the last line will evaluate to true.
315
316         x := x + 1
317         x := 2
318         x == 3
319
320 Here the comparison in the last line will evaluate to false.
321
322 One of our goals for this course is to get you to understand *what is* that new
323 sense such that only so matters in imperatival languages.
324
325 Finally, you'll see the term **dynamic** used in a variety of ways in the literature for this course:
326
327 *       dynamic versus static typing
328
329 *       dynamic versus lexical scoping
330
331 *       dynamic versus static control operators
332
333 *       finally, we're used ourselves to talking about dynamic versus static semantics
334
335 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.
336
337 Map
338 ===
339
340 <table>
341 <tr>
342 <td width=30%>Scheme (functional part)</td>
343 <td width=30%>OCaml (functional part)</td>
344 <td width=30%>C, Java, Pasval<br>
345 Scheme (imperative part)<br>
346 OCaml (imperative part)</td>
347 <tr>
348 <td width=30%>lambda calculus<br>
349 combinatorial logic</td>
350 <tr>
351 <td colspan=3 align=center>--------------------------------------------------- Turing complete ---------------------------------------------------</td>
352 <tr>
353 <td width=30%>&nbsp;
354 <td width=30%>more advanced type systems, such as polymorphic types
355 <td width=30%>&nbsp;
356 <tr>
357 <td width=30%>&nbsp;
358 <td width=30%>simply-typed lambda calculus (what linguists mostly use)
359 <td width=30%>&nbsp;
360 </table>
361
362
363 Rosetta Stone
364 =============
365
366 Here's how it looks to say the same thing in various of these languages.
367
368 1.      Binding suitable values to the variables `three` and `two`, and adding them.
369
370         In Scheme:
371
372                 (let* ((three 3))
373                           (let ((two 2))
374                                    (+ three two)))
375
376         In OCaml:
377
378                 let three = 3 in
379                         let two = 2 in
380                                 three + two
381
382         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:
383
384                 let three = 3 in
385                         let two = 2 in
386                                 ( + ) three two
387
388         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.
389
390         But supposing you had constructed appropriate values for `+` and `3` and `2`, you'd place them in the ellided positions in:
391
392                 (((\three (\two ((... three) two))) ...) ...)
393         
394         In an ordinary imperatival language like C:
395
396                 int three = 3;
397                 int two = 2;
398                 three + two;
399
400 2.      Mutation
401
402         In C this looks almost the same as what we had before:
403
404                 int x = 3;
405                 x = 2;
406
407         Here we first initialize `x` to hold the value 3; then we mutate `x` to hold a new value.
408
409         In (the imperatival part of) Scheme, this could be done as:
410
411                 (let ((x (box 3)))
412                          (set-box! x 2))
413
414         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.
415
416         In (the imperatival part of) OCaml, this could be done as:
417
418                 let x = ref 3 in
419                         x := 2
420
421         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.
422
423         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.
424
425
426
427
428
429 3.      Anonymous functions
430
431         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.
432
433         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.
434
435         In the lambda calculus:
436
437                 (\x M)
438
439         is always anonymous! Here `M` stands for any expression of the language, simple or complex. It's only when you do
440
441                 ((\y N) (\x M))
442
443         that `(\x M)` has a "name" (it's named `y` during the evaluation of `N`).
444
445         In Scheme, the same thing is written:
446
447                 (lambda (x) M)
448
449         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:
450
451                 (lambda (x) (+ 3 x))
452
453         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.
454
455         In OCaml, we write our anonymous function like this:
456
457                 fun x -> (3 + x)
458
459         or:
460
461                 fun x -> (( + ) 3 x)
462
463         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:
464
465                 fun x -> ( + ) 3 x
466
467         or:
468
469                 (fun x -> (( + ) (3) (x)))
470
471         As we saw above, parentheses can often be omitted in the lambda calculus too. But not in Scheme. Every parentheses has a specific role.
472
473 4.      Supplying an argument to an anonymous function
474
475         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:
476
477                 ((lambda (x) (+ 3 x)) 2)
478
479         The outermost parentheses here mean "apply the function `(lambda (x) (+ 3 x))` to the argument `2`.
480
481         In OCaml:
482
483                 (fun x -> ( + ) 3 x) 2
484
485
486 5.      Binding variables to values with "let"
487
488         Let's go back and re-consider this Scheme expression:
489
490                 (let* ((three 3))
491                           (let ((two 2))
492                                    (+ three two)))
493
494         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:
495
496                 (let* ((three 3) (two 2))
497                           (+ three two))
498
499         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:
500
501                 (let* ((three 3))
502                           (let ((two 2))
503                                    (+ three two)))
504
505         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 `(...)`.
506
507         Someone asked in seminar if the `3` could be replaced by a more complex expression. The answer is "yes". You could also write:
508
509                 (let* [(three (+ 1 2))]
510                           (let [(two 2)]
511                                    (+ three two)))
512         
513         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.
514
515         Repeating our starting point for reference:
516
517                 (let* [(three 3)]
518                           (let [(two 2)]
519                                    (+ three two)))
520
521         Recall in OCaml this same computation was written:
522
523                 let three = 3 in
524                         let two = 2 in
525                                 ( + ) three two
526
527 6.      Binding with "let" is the same as supplying an argument to a lambda
528
529         The preceding expression in Scheme is exactly equivalent to:
530
531                 (((lambda (three) (lambda (two) (+ three two))) 3) 2)
532
533         The preceding expression in OCaml is exactly equivalent to:
534
535                 (fun three -> (fun two -> ( + ) three two)) 3 2
536
537         Read this several times until you understand it.
538
539 7.      Functions can also be bound to variables (and hence, cease being "anonymous").
540
541         In Scheme:
542
543                 (let* [(bar (lambda (x) B))] M)
544
545         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)`.
546
547         Similarly, in OCaml:
548
549                 let bar = fun x -> B in
550                         M
551
552         This in Scheme:
553
554                 (let* [(bar (lambda (x) B))] (bar A))
555
556         as we've said, means the same as:
557
558                 ((lambda (bar) (bar A)) (lambda (x) B))
559
560         which, as we'll see, is equivalent to:
561
562                 ((lambda (x) B) A)
563
564         and that means the same as:
565
566                 (let* [(x A)] B)
567
568         in other words: evaluate `B` with `x` assigned to the value `A`.
569
570         Similarly, this in OCaml:
571
572                 let bar = fun x -> B in
573                         bar A
574
575         is equivalent to:
576
577                 (fun x -> B) A
578
579         and that means the same as:
580
581                 let x = A in
582                         B
583
584 8.      Pushing a "let"-binding from now until the end
585
586         What if you want to do something like this, in Scheme?
587
588                 (let* [(x A)] ... for the rest of the file or interactive session ...)
589
590         or this, in OCaml:
591
592                 let x = A in
593                         ... for the rest of the file or interactive session ...
594
595         Scheme and OCaml have syntactic shorthands for doing this. In Scheme it's written like this:
596
597                 (define x A)
598                 ... rest of the file or interactive session ...
599
600         In OCaml it's written like this:
601
602                 let x = A;;
603                 ... rest of the file or interactive session ...
604
605         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.)
606
607
608 9.      Some shorthand
609
610         OCaml permits you to abbreviate:
611
612                 let bar = fun x -> B in
613                         M
614
615         as:
616
617                 let bar x = B in
618                         M
619
620         It also permits you to abbreviate:
621
622                 let bar = fun x -> B;;
623
624         as:
625
626                 let bar x = B;;
627
628         Similarly, Scheme permits you to abbreviate:
629
630                 (define bar (lambda (x) B))
631
632         as:
633
634                 (define (bar x) B)
635
636         and this is the form you'll most often see Scheme definitions written in.
637
638         However, conceptually you should think backwards through the abbreviations and equivalences we've just presented.
639
640                 (define (bar x) B)
641
642         just means:
643
644                 (define bar (lambda (x) B))
645
646         which just means:
647
648                 (let* [(bar (lambda (x) B))] ... rest of the file or interactive session ...)
649
650         which just means:
651
652                 (lambda (bar) ... rest of the file or interactive session ...) (lambda (x) B)
653
654         or in other words, interpret the rest of the file or interactive session with `bar` assigned the function `(lambda (x) B)`.
655
656
657 10.     Shadowing
658
659         You can override a binding with a more inner binding to the same variable. For instance the following expression in OCaml:
660
661                 let x = 3 in
662                         let x = 2 in
663                                 x
664
665         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:
666
667                 int x = 3;
668                 x = 2;
669         
670         <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.
671
672         The OCaml expression just means:
673
674                 (fun x -> ((fun x -> x) 2) 3)
675
676         and there's no more mutation going on there than there is in:
677
678         <pre>
679         <code>&forall;x. (F x or &forall;x (not (F x)))</code>
680         </pre>
681
682         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.
683
684
685 Some more comparisons between Scheme and OCaml
686 ----------------------------------------------
687
688 11.     Simple predefined values
689
690         Numbers in Scheme: `2`, `3`  
691         In OCaml: `2`, `3`
692
693         Booleans in Scheme: `#t`, `#f`  
694         In OCaml: `true`, `false`
695
696         The eighth letter in the Latin alphabet, in Scheme: `#\h`  
697         In OCaml: `'h'`
698
699 12.     Compound values
700
701         These are values which are built up out of (zero or more) simple values.
702
703         Ordered pairs in Scheme: `'(2 . 3)`  
704         In OCaml: `(2, 3)`
705
706         Lists in Scheme: `'(2 3)`  
707         In OCaml: `[2; 3]`  
708         We'll be explaining the difference between pairs and lists next week.
709
710         The empty list, in Scheme: `'()`  
711         In OCaml: `[]`
712
713         The string consisting just of the eighth letter of the Latin alphabet, in Scheme: `"h"`  
714         In OCaml: `"h"`
715
716         A longer string, in Scheme: `"horse"`  
717         In OCaml: `"horse"`
718
719         A shorter string, in Scheme: `""`  
720         In OCaml: `""`
721
722 13.     Function application
723
724         Binary functions in OCaml: `foo 2 3`
725         
726         Or: `( + ) 2 3`
727
728         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.
729
730         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.
731
732         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.
733
734
735 What "sequencing" is and isn't
736 ------------------------------
737
738 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.
739
740 Neither do they have any useful notion of sequencing. But what this would be takes some care to identify.
741
742 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,
743
744 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.
745
746 Third, the kinds of bindings we see in:
747
748         (define foo A)
749         (foo 2)
750
751 Or even:
752
753         (define foo A)
754         (define foo B)
755         (foo 2)
756
757 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.
758
759 Since Scheme and OCaml also do permit imperatival constructions, they do have syntax for genuine sequencing. In Scheme it looks like this:
760
761         (begin A B C)
762
763 In OCaml it looks like this:
764
765         begin A; B; C end
766
767 Or this:
768
769         (A; B; C)
770
771 In the presence of imperatival elements, sequencing order is very relevant. For example, these will behave differently:
772
773         (begin (print "under") (print "water"))
774         
775         (begin (print "water") (print "under"))
776
777 And so too these:
778
779         begin x := 3; x := 2; x end
780
781         begin x := 2; x := 3; x end
782
783 However, if A and B are purely functional, non-imperatival expressions, then:
784
785         begin A; B; C end
786
787 just evaluates to C (so long as A and B evaluate to something at all). So:
788
789         begin A; B; C end
790
791 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.
792
793 We'll discuss this more as the seminar proceeds.
794
795
796
797
798 1.      Declarative vs imperatival models of computation.
799 2.      Variety of ways in which "order can matter."
800 3.      Variety of meanings for "dynamic."
801 4.      Schoenfinkel, Curry, Church: a brief history
802 5.      Functions as "first-class values"
803 6.      "Curried" functions
804
805 1.      Beta reduction
806 1.      Encoding pairs (and triples and ...)
807 1.      Encoding booleans
808
809
810
811
812