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