arithmetic -> lambda_library
[lambda.git] / arithmetic.mdwn
diff --git a/arithmetic.mdwn b/arithmetic.mdwn
deleted file mode 100644 (file)
index 289b284..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,298 +0,0 @@
-Here are a bunch of pre-tested operations for the untyped lambda calculus. In some cases multiple versions are offered.
-
-Some of these are drawn from:
-
-*      [[!wikipedia Lambda calculus]]
-*      [[!wikipedia Church encoding]]
-*      Oleg's [Basic Lambda Calculus Terms](http://okmij.org/ftp/Computation/lambda-calc.html#basic)
-
-and all sorts of other places. Others of them are our own handiwork.
-
-
-**Spoilers!** Below you'll find implementations of map and filter for v3 lists, and several implementations of leq for Church numerals. Those were all requested in Assignment 2; so if you haven't done that yet, you should try to figure them out on your own. (You can find implementations of these all over the internet, if you look for them, so these are no great secret. In fact, we'll be delighted if you're interested enough in the problem to try to think through alternative implementations.)
-
-
-       ; booleans
-       let true = \y n. y  in ; aka K
-       let false = \y n. n  in ; aka K I
-       let and = \p q. p q false  in ; or
-       let and = \p q. p q p  in ; aka S C I
-       let or = \p q. p true q  in ; or
-       let or = \p q. p p q  in ; aka M
-       let not = \p. p false true  in ; or
-       let not = \p y n. p n y  in ; aka C
-       let xor = \p q. p (not q) q  in
-       let iff = \p q. not (xor p q)  in ; or
-       let iff = \p q. p q (not q)  in
-
-       ; pairs
-       let make_pair = \x y f. f x y  in
-       let get_1st = \x y. x  in ; aka true
-       let get_2nd = \x y. y  in ; aka false
-
-       ; triples
-       let make_triple = \x y z f. f x y z  in
-
-
-       ; Church numerals: basic operations
-
-       let zero = \s z. z  in ; aka false
-       let one = \s z. s z  in ; aka I
-       let succ = \n s z. s (n s z)  in
-       ; for any Church numeral n > zero : n (K y) z ~~> y
-       let iszero = \n. n (\x. false) true  in
-
-
-       ; version 3 lists
-
-       let empty = \f z. z  in
-       let make_list = \h t f z. f h (t f z)  in
-       let isempty = \lst. lst (\h sofar. false) true  in
-       let head = \lst. lst (\h sofar. h) junk  in
-       let tail_empty = empty  in
-       let tail = \lst. (\shift. lst shift (make_pair empty tail_empty) get_2nd)
-                               ; where shift is
-                               (\h p. p (\t y. make_pair (make_list h t) t))  in
-       let length = \lst. lst (\h sofar. succ sofar) 0  in
-       let map = \f lst. lst (\h sofar. make_list (f h) sofar) empty  in
-       let filter = \f lst. lst (\h sofar. f h (make_list h sofar) sofar) empty  in ; or
-       let filter = \f lst. lst (\h. f h (make_list h) I) empty  in
-       let singleton = \x f z. f x z  in
-       ; append [a;b;c] [x;y;z] ~~> [a;b;c;x;y;z]
-       let append = \left right. left make_list right  in
-       ; very inefficient but correct reverse
-       let reverse = \lst. lst (\h sofar. append sofar (singleton h)) empty  in ; or
-       ; more efficient reverse builds a left-fold instead
-       ; (make_left_list a (make_left_list b (make_left_list c empty)) ~~> \f z. f c (f b (f a z))
-       let reverse = (\make_left_list lst. lst make_left_list empty) (\h t f z. t f (f h z))  in
-       ; zip [a;b;c] [x; y; z] ~~> [(a,x);(b,y);(c,z)]
-       let zip = \left right. (\base build. reverse left build base (\x y. reverse x))
-                       ; where base is
-                       (make_pair empty (map (\h u. u h) right))
-                       ; and build is
-                       (\h sofar. sofar (\x y. isempty y
-                                               sofar
-                                               (make_pair (make_list (\u. head y (u h)) x)  (tail y))
-                       ))  in
-       let all = \f lst. lst (\h sofar. and sofar (f h)) true  in
-       let any = \f lst. lst (\h sofar. or sofar (f h)) false  in
-
-
-       ; version 1 lists
-
-       let empty = make_pair true junk  in
-       let make_list = \h t. make_pair false (make_pair h t)  in
-       let isempty = \lst. lst get_1st  in
-       let head = \lst. isempty lst err (lst get_2nd get_1st)  in
-       let tail_empty = empty  in
-       let tail = \lst. isempty lst tail_empty (lst get_2nd get_2nd)  in
-       
-
-       ; more math with Church numerals
-
-       let add = \m n. m succ n  in ; or
-       let add = \m n s z. m s (n s z)  in
-       let mul = \m n. m (\z. add n z) zero  in ; or
-       let mul = \m n s. m (n s)  in
-       let pow = \b exp. exp (mul b) one  in ; or
-       ; b succ : adds b
-       ; b (b succ) ; adds b b times, ie adds b^2
-       ; b (b (b succ)) ; adds b^2 b times, ie adds b^3
-       ; exp b succ ; adds b^exp
-       let pow = \b exp s z. exp b s z  in
-
-
-       ; three strategies for predecessor
-       let pred_zero = zero  in
-       let pred = (\shift n. n shift (make_pair zero pred_zero) get_2nd)
-               ; where shift is
-               (\p. p (\x y. make_pair (succ x) x))  in ; or
-       ; from Oleg; observe that for any Church numeral n: n I ~~> I
-       let pred = \n. iszero n zero
-                                       ; else
-                                       (n (\x. x I ; when x is the base term, this will be K zero
-                                                         ; when x is a Church numeral, it will be I
-                                               (succ x))
-                                         ; base term
-                                         (K (K zero))
-                                       )  in
-       ; from Bunder/Urbanek
-       let pred = \n s z. n (\u v. v (u s)) (K z) I  in ; or
-
-                                       
-       ; inefficient but simple comparisons
-       let leq = \m n. iszero (n pred m)  in
-       let lt = \m n. not (leq n m)  in
-       let eq = \m n. and (leq m n) (leq n m)  in ; or
-
-
-       ; more efficient comparisons, Oleg's gt provided some simplifications
-       let leq = (\base build consume. \m n. n consume (m build base) get_1st)
-                       ; where base is
-                       (make_pair true junk)
-                       ; and build is
-                       (\p. make_pair false p)
-                       ; and consume is
-                       (\p. p get_1st p (p get_2nd))  in
-       let lt = \m n. not (leq n m)  in
-       let eq = (\base build consume. \m n. n consume (m build base) get_1st)
-                       ; 2nd element of a pair will now be of the form (K sthg) or I
-                       ; we supply the pair being consumed itself as an argument
-                       ; getting back either sthg or the pair we just consumed
-                       ; base is
-                       (make_pair true (K (make_pair false I)))
-                       ; and build is
-                       (\p. make_pair false (K p))
-                       ; and consume is
-                       (\p. p get_2nd p)  in
-       
-
-       ; -n is a fixedpoint of \x. add (add n x) x
-       ; but unfortunately Y that_function doesn't normalize
-       ; instead:
-       let sub = \m n. n pred m  in ; or
-       ; how many times we can succ n until m <= result
-       let sub = \m n. (\base build. m build base (\cur fin sofar. sofar))
-                               ; where base is
-                               (make_triple n false zero)
-                               ; and build is
-                               (\t. t (\cur fin sofar. or fin (leq m cur)
-                                               (make_triple cur true sofar) ; enough
-                                               (make_triple (succ cur) false (succ sofar)) ; continue
-                               ))  in
-       ; or
-       let sub = (\base build consume. \m n. n consume (m build base) get_1st)
-                       ; where base is
-                       (make_pair zero I) ; see second defn of eq for explanation of 2nd element
-                       ; and build is
-                       (\p. p (\x y. make_pair (succ x) (K p)))
-                       ; and consume is
-                       (\p. p get_2nd p)  in
-
-
-       let min = \m n. sub m (sub m n) in
-       let max = \m n. add n (sub m n) in
-
-
-       ; (m/n) is a fixedpoint of \x. add (sub (mul n x) m) x
-       ; but unfortunately Y that_function doesn't normalize
-       ; instead:
-       ; how many times we can sub n from m while n <= result
-       let div = \m n. (\base build. m build base (\cur go sofar. sofar))
-                               ; where base is
-                               (make_triple m true zero)
-                               ; and build is
-                               (\t. t (\cur go sofar. and go (leq n cur)
-                                               (make_triple (sub cur n) true (succ sofar)) ; continue
-                                               (make_triple cur false sofar) ; enough
-                               ))  in
-    ; what's left after sub n from m while n <= result
-    let mod = \m n. (\base build. m build base (\cur go. cur))
-                ; where base is
-                (make_pair m true)
-                ; and build is
-                (\p. p (\cur go. and go (leq n cur)
-                        (make_pair (sub cur n) true) ; continue
-                        (make_pair cur false) ; enough
-                ))  in
-
-       ; or
-       let divmod = (\base build mtail. \m n.
-                                       (\dhead. m (mtail dhead) (\sel. dhead (sel 0 0)))
-                                                       (n build base (\x y z. z junk))
-                                                       (\t u x y z. make_pair t u) )
-                               ; where base is
-                               (make_triple succ (K 0) I) ; see second defn of eq for explanation of 3rd element
-                               ; and build is
-                       (\t. make_triple I succ (K t))
-                               ; and mtail is
-                               (\dhead d. d (\dz mz df mf drest sel. drest dhead (sel (df dz) (mf mz))))
-       in
-       let div = \n d. divmod n d get_1st  in
-       let mod = \n d. divmod n d get_2nd  in
-
-
-       ; sqrt n is a fixedpoint of \x. div (div (add n (mul x x)) 2) x
-       ; but unfortunately Y that_function doesn't normalize
-
-
-       ; (log base b of m) is a fixedpoint of \x. add (sub (pow b x) m) x
-       ; but unfortunately Y that_function doesn't normalize
-       ; instead:
-       ; how many times we can mul b by b while result <= m
-       let log = \m b. (\base build. m build base (\cur go sofar. sofar))
-               ; where base is
-               (make_triple b true 0)
-               ; and build is
-               (\t. t (\cur go sofar. and go (leq cur m)
-                          (make_triple (mul cur b) true (succ sofar)) ; continue
-                          (make_triple cur false sofar) ; enough
-               ))  in
-
-
-       ; Rosenbloom's fixed point combinator
-       let Y = \f. (\h. f (h h)) (\h. f (h h)) in
-       ; Turing's fixed point combinator
-       let Theta = (\u f. f (u u f)) (\u f. f (u u f))  in
-
-
-       ; length for version 1 lists
-       let length = Y (\self lst. isempty lst 0 (succ (self (tail lst))))  in
-
-
-       true
-
-<!--
-
-       ; numhelper 0 f z ~~> z
-       ; when n > 0: numhelper n f z ~~> f (pred n)
-       ; compare Bunder/Urbanek pred
-       let numhelper = \n. n (\u v. v (u succ)) (K 0) (\p f z. f p)  in
-
-       ; accepts fixed point combinator as a parameter, so you can use different ones
-       let fact = \y. y (\self n. numhelper n (\p. mul n (self p)) 1)  in
-
-
-
-       fact Theta 3  ; returns 6
--->
-
-<!--
-       ; my original efficient comparisons
-       let leq = (\base build consume. \m n. n consume (m build base) get_1st (\x. false) true)
-                       ; where base is
-                       (make_pair zero I) ; supplying this pair as an arg to its 2nd term returns the pair
-                       ; and build is
-                       (\p. p (\x y. make_pair (succ x) (K p))) ; supplying the made pair as an arg to its 2nd term returns p (the previous pair)
-                       ; and consume is
-                       (\p. p get_2nd p)  in
-       let lt = \m n. not (leq n m) in
-       let eq = (\base build consume. \m n. n consume (m build base) true (\x. false) true)
-                       ; where base is
-                       (make_pair zero (K (make_pair one I)))
-                       ; and build is
-                       (\p. p (\x y. make_pair (succ x) (K p)))
-                       ; and consume is
-                       (\p. p get_2nd p)  in ; or
--->
-
-<!--
-       gcd
-       pow_mod
-
-
-       show Oleg's definition of integers:
-               church_to_int = \n sign. n
-               church_to_negint = \n sign s z. sign (n s z)
-
-               ; int_to_church
-               abs = \int. int I
-
-               sign_case = \int ifpos ifzero ifneg. int (K ifneg) (K ifpos) ifzero
-
-               negate_int = \int. sign_case int (church_to_negint (abs int)) zero (church_to_int (abs int))
-
-       for more, see http://okmij.org/ftp/Computation/lambda-calc.html#neg
-
-
--->