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