tweak advanced
[lambda.git] / week4.mdwn
1 [[!toc]]
2
3 #Q: How do you know that every term in the untyped lambda calculus has a fixed point?#
4
5 A: That's easy: let `T` be an arbitrary term in the lambda calculus.  If
6 `T` has a fixed point, then there exists some `X` such that `X <~~>
7 TX` (that's what it means to *have* a fixed point).
8
9 <pre>
10 let W = \x.T(xx) in
11 let X = WW in
12 X = WW = (\x.T(xx))W = T(WW) = TX
13 </pre>
14
15 Please slow down and make sure that you understand what justified each
16 of the equalities in the last line.
17
18 #Q: How do you know that for any term `T`, `YT` is a fixed point of `T`?#
19
20 A: Note that in the proof given in the previous answer, we chose `T`
21 and then set `X = WW = (\x.T(xx))(\x.T(xx))`.  If we abstract over
22 `T`, we get the Y combinator, `\T.(\x.T(xx))(\x.T(xx))`.  No matter
23 what argument `T` we feed Y, it returns some `X` that is a fixed point
24 of `T`, by the reasoning in the previous answer.
25
26 #Q: So if every term has a fixed point, even `Y` has fixed point.#
27
28 A: Right:
29
30     let Y = \T.(\x.T(xx))(\x.T(xx)) in
31     Y Y = \T.(\x.T(xx))(\x.T(xx)) Y
32         = (\x.Y(xx))(\x.Y(xx))
33         = Y((\x.Y(xx))(\x.Y(xx)))
34         = Y(Y((\x.Y(xx))(\x.Y(xx))))
35         = Y(Y(Y(...(Y(YY))...)))
36
37 #Q: Ouch!  Stop hurting my brain.#
38
39 A: Let's come at it from the direction of arithmetic.  Recall that we
40 claimed that even `succ`---the function that added one to any
41 number---had a fixed point.  How could there be an X such that X = X+1?
42 That would imply that
43
44     X = succ X = succ (succ X) = succ (succ (succ (X))) = succ (... (succ X)...)
45
46 In other words, the fixed point of `succ` is a term that is its own
47 successor.  Let's just check that `X = succ X`:
48
49     let succ = \n s z. s (n s z) in
50     let X = (\x.succ(xx))(\x.succ(xx)) in
51     succ X 
52       = succ ((\x.succ(xx))(\x.succ(xx))) 
53       = succ (succ ((\x.succ(xx))(\x.succ(xx))))
54       = succ (succ X)
55
56 You should see the close similarity with YY here.
57
58 #Q. So `Y` applied to `succ` returns a number that is not finite!#
59
60 A. Yes!  Let's see why it makes sense to think of `Y succ` as a Church
61 numeral:
62
63       [same definitions]
64       succ X
65       = (\n s z. s (n s z)) X 
66       = \s z. s (X s z)
67       = succ (\s z. s (X s z)) ; using fixed-point reasoning
68       = \s z. s ([succ (\s z. s (X s z))] s z)
69       = \s z. s ([\s z. s ([succ (\s z. s (X s z))] s z)] s z)
70       = \s z. s (s (succ (\s z. s (X s z))))
71
72 So `succ X` looks like a numeral: it takes two arguments, `s` and `z`,
73 and returns a sequence of nested applications of `s`...
74
75 You should be able to prove that `add 2 (Y succ) <~~> Y succ`,
76 likewise for `mult`, `minus`, `pow`.  What happens if we try `minus (Y
77 succ)(Y succ)`?  What would you expect infinity minus infinity to be?
78 (Hint: choose your evaluation strategy so that you add two `s`s to the
79 first number for every `s` that you add to the second number.)
80
81 This is amazing, by the way: we're proving things about a term that
82 represents arithmetic infinity.  
83
84 It's important to bear in mind the simplest term in question is not
85 infinite:
86
87      Y succ = (\f.(\x.f(xx))(\x.f(xx)))(\n s z. s (n s z))
88
89 The way that infinity enters into the picture is that this term has
90 no normal form: no matter how many times we perform beta reduction,
91 there will always be an opportunity for more beta reduction.  (Lather,
92 rinse, repeat!)
93
94 #Q. That reminds me, what about [[evaluation order]]?#
95
96 A. For a recursive function that has a well-behaved base case, such as
97 the factorial function, evaluation order is crucial.  In the following
98 computation, we will arrive at a normal form.  Watch for the moment at
99 which we have to make a choice about which beta reduction to perform
100 next: one choice leads to a normal form, the other choice leads to
101 endless reduction:
102
103     let prefac = \f n. isZero n 1 (mult n (f (pred n))) in
104     let fac = Y prefac in
105     fac 2
106        = [(\f.(\x.f(xx))(\x.f(xx))) prefac] 2
107        = [(\x.prefac(xx))(\x.prefac(xx))] 2
108        = [prefac((\x.prefac(xx))(\x.prefac(xx)))] 2
109        = [prefac(prefac((\x.prefac(xx))(\x.prefac(xx))))] 2
110        = [(\f n. isZero n 1 (mult n (f (pred n))))
111           (prefac((\x.prefac(xx))(\x.prefac(xx))))] 2
112        = [\n. isZero n 1 (mult n ([prefac((\x.prefac(xx))(\x.prefac(xx)))] (pred n)))] 2
113        = isZero 2 1 (mult 2 ([prefac((\x.prefac(xx))(\x.prefac(xx)))] (pred 2)))
114        = mult 2 ([prefac((\x.prefac(xx))(\x.prefac(xx)))] 1)
115        ...
116        = mult 2 (mult 1 ([prefac((\x.prefac(xx))(\x.prefac(xx)))] 0))
117        = mult 2 (mult 1 (isZero 0 1 ([prefac((\x.prefac(xx))(\x.prefac(xx)))] (pred 0))))
118        = mult 2 (mult 1 1)
119        = mult 2 1
120        = 2
121
122 The crucial step is the third from the last.  We have our choice of
123 either evaluating the test `isZero 0 1 ...`, which evaluates to `1`,
124 no matter what the ... contains;
125 or we can evaluate the `Y` pump, `(\x.prefac(xx))(\x.prefac(xx))`, to
126 produce another copy of `prefac`.  If we postpone evaluting the
127 `isZero` test, we'll pump out copy after copy of `prefac`, and never
128 realize that we've bottomed out in the recursion.  But if we adopt a
129 leftmost/call-by-name/normal-order evaluation strategy, we'll always
130 start with the `isZero` predicate, and only produce a fresh copy of
131 `prefac` if we are forced to. 
132
133 #Q.  You claimed that the Ackerman function couldn't be implemented using our primitive recursion techniques (such as the techniques that allow us to define addition and multiplication).  But you haven't shown that it is possible to define the Ackerman function using full recursion.#
134
135 A. OK:
136   
137 <pre>
138 A(m,n) =
139     | when m == 0 -> n + 1
140     | else when n == 0 -> A(m-1,1)
141     | else -> A(m-1, A(m,n-1))
142
143 let A = Y (\A m n. isZero m (succ n) (isZero n (A (pred m) 1) (A (pred m) (A m (pred n))))) in
144 </pre>
145
146 For instance,
147
148     A 1 2
149     = A 0 (A 1 1)
150     = A 0 (A 0 (A 1 0))
151     = A 0 (A 0 (A 0 1))
152     = A 0 (A 0 2)
153     = A 0 3
154     = 4
155
156 A 1 x is to A 0 x as addition is to the successor function;
157 A 2 x is to A 1 x as multiplication is to addition;
158 A 3 x is to A 2 x as exponentiation is to multiplication---
159 so A 4 x is to A 3 x as hyper-exponentiation is to exponentiation...
160
161 #Q. What other questions should I be asking?#
162
163 *    What is it about the variant fixed-point combinators that makes
164      them compatible with a call-by-value evaluation strategy?
165
166 *    How do you know that the Ackerman function can't be computed
167      using primitive recursion techniques?
168
169 *    What *exactly* is primitive recursion?
170
171 *    I hear that `Y` delivers the *least* fixed point.  Least
172      according to what ordering?  How do you know it's least?
173      Is leastness important?
174
175
176 ##The simply-typed lambda calculus##
177
178 The uptyped lambda calculus is pure computation.  It is much more
179 common, however, for practical programming languages to be typed.
180 Likewise, systems used to investigate philosophical or linguistic
181 issues are almost always typed.  Types will help us reason about our
182 computations.  They will also facilitate a connection between logic
183 and computation.
184
185 Soon we will consider polymorphic type systems.  First, however, we
186 will consider the simply-typed lambda calculus.  There's good news and
187 bad news: the good news is that the simply-type lambda calculus is
188 strongly normalizing: every term has a normal form.  We shall see that
189 self-application is outlawed, so &Omega; can't even be written, let
190 alone undergo reduction.  The bad news is that fixed-point combinators
191 are also forbidden, so recursion is neither simple nor direct.
192
193 #Types#
194
195 We will have at least one ground type, `o`.  From a linguistic point
196 of view, think of the ground types as the bar-level 0 categories, that
197 is, the lexical types, such as Noun, Verb, Preposition (glossing over
198 the internal complexity of those categories in modern theories).
199
200 In addition, there will be a recursively-defined class of complex
201 types `T`, the smallest set such that
202
203 *    ground types, including `o`, are in `T`
204
205 *    for any types &sigma; and &tau; in `T`, the type &sigma; -->
206      &tau; is in `T`.
207
208 For instance, here are some types in `T`:
209
210      o
211      o --> o
212      o --> o --> o
213      (o --> o) --> o
214      (o --> o) --> o --> o
215
216 and so on.
217
218 #Typed lambda terms#
219
220 Given a set of types `T`, we define the set of typed lambda terms <code>&Lambda;_T</code>,
221 which is the smallest set such that
222
223 *    each type `t` has an infinite set of distinct variables, {x^t}_1,
224      {x^t}_2, {x^t}_3, ...
225
226 *    If a term `M` has type &sigma; --> &tau;, and a term `N` has type
227      &sigma;, then the application `(M N)` has type &tau;.
228
229 *    If a variable `a` has type &sigma;, and term `M` has type &tau;, 
230      then the abstract <code>&lambda; a M</code> has type &sigma; --> &tau;.
231
232 The definitions of types and of typed terms should be highly familiar
233 to semanticists, except that instead of writing &sigma; --> &tau;,
234 linguists (following Montague, who followed Church) write <&sigma;,
235 &tau;>.  We will use the arrow notation, since it is more iconic.
236
237 Some examples (assume that `x` has type `o`):
238
239       x            o
240       \x.x         o --> o
241       ((\x.x) x)   o
242
243 Excercise: write down terms that have the following types:
244
245                    o --> o --> o
246                    (o --> o) --> o --> o
247                    (o --> o --> o) --> o
248
249 #Associativity of types versus terms#
250
251 As we have seen many times, in the lambda calculus, function
252 application is left associative, so that `f x y z == (((f x) y) z)`.
253 Types, *THEREFORE*, are right associative: if `f`, `x`, `y`, and `z`
254 have types `a`, `b`, `c`, and `d`, respectively, then `f` has type `a
255 --> b --> c --> d == (a --> (b --> (c --> d)))`.
256
257 It is a serious faux pas to associate to the left for types.  You may
258 as well use your salad fork to stir your tea.
259
260 #The simply-typed lambda calculus is strongly normalizing#
261
262 If `M` is a term with type &tau; in &Lambda;_T, then `M` has a
263 normal form.  The proof is not particularly complex, but we will not
264 present it here; see Berendregt or Hankin.
265
266 Since &Omega; does not have a normal form, it follows that &Omega;
267 cannot have a type in &Lambda;_T.  We can easily see why:
268
269      &Omega; = (\x.xx)(\x.xx)
270
271 Assume &Omega; has type &tau;, and `\x.xx` has type &sigma;.  Then
272 because `\x.xx` takes an argument of type &sigma; and returns
273 something of type &tau;, `\x.xx` must also have type &sigma; -->
274 &tau;.  By repeating this reasoning, `\x.xx` must also have type
275 (&sigma; --> &tau;) --> &tau;; and so on.  Since variables have
276 finite types, there is no way to choose a type for the variable `x`
277 that can satisfy all of the requirements imposed on it.
278
279 In general, there is no way for a function to have a type that can
280 take itself for an argument.  It follows that there is no way to
281 define the identity function in such a way that it can take itself as
282 an argument.  Instead, there must be many different identity
283 functions, one for each type.
284
285 #Typing numerals#
286
287 Version 1 type numerals are not a good choice for the simply-typed
288 lambda calculus.  The reason is that each different numberal has a
289 different type!  For instance, if zero has type &sigma;, then `false`
290 has type &tau; --> &tau; --> &tau;, for some &tau;.  Since one is
291 represented by the function `\x.x false 0`, one must have type (&tau;
292 --> &tau; --> &tau;) --> &sigma; --> &sigma;.  But this is a different
293 type than zero!  Because each number has a different type, it becomes
294 impossible to write arithmetic operations that can combine zero with
295 one.  We would need as many different addition operations as we had
296 pairs of numbers that we wanted to add.
297
298 Fortunately, the Church numberals are well behaved with respect to
299 types.  They can all be given the type (&sigma; --> &sigma;) -->
300 &sigma; --> &sigma;.
301
302
303
304
305
306 <!--
307
308 Mau integrate some mention of this at some point.
309
310 http://okmij.org/ftp/Computation/lambda-calc.html#predecessor
311
312
313 Predecessor and lists are not representable in simply typed lambda-calculus
314
315     The predecessor of a Church-encoded numeral, or, generally, the encoding of a list with the car and cdr operations are both impossible in the simply typed lambda-calculus. Henk Barendregt's ``The impact of the lambda-calculus in logic and computer science'' (The Bulletin of Symbolic Logic, v3, N2, June 1997) has the following phrase, on p. 186:
316
317         Even for a function as simple as the predecessor lambda definability remained an open problem for a while. From our present knowledge it is tempting to explain this as follows. Although the lambda calculus was conceived as an untyped theory, typeable terms are more intuitive. Now the functions addition and multiplication are defineable by typeable terms, while [101] and [108] have characterized the lambda-defineable functions in the (simply) typed lambda calculus and the predecessor is not among them [the story of the removal of Kleene's four wisdom teeth is skipped...]
318         Ref 108 is R.Statman: The typed lambda calculus is not elementary recursive. Theoretical Comp. Sci., vol 9 (1979), pp. 73-81.
319
320     Since list is a generalization of numeral -- with cons being a successor, append being the addition, tail (aka cdr) being the predecessor -- it follows then the list cannot be encoded in the simply typed lambda-calculus.
321
322     To encode both operations, we need either inductive (generally, recursive) types, or System F with its polymorphism. The first approach is the most common. Indeed, the familiar definition of a list
323
324          data List a = Nil | Cons a (List a)
325
326     gives an (iso-) recursive data type (in Haskell. In ML, it is an inductive data type).
327
328     Lists can also be represented in System F. As a matter of fact, we do not need the full System F (where the type reconstruction is not decidable). We merely need the extension of the Hindley-Milner system with higher-ranked types, which requires a modicum of type annotations and yet is able to infer the types of all other terms. This extension is supported in Haskell and OCaml. With such an extension, we can represent a list by its fold, as shown in the code below. It is less known that this representation is faithful: we can implement all list operations, including tail, drop, and even zip.
329
330
331 -->