add zipper
[lambda.git] / assignment5.mdwn
index 87d5566..f402ec6 100644 (file)
-Types and OCAML
+Assignment 5
 
-1. Which of the following expressions is well-typed in OCAML?  
-   For those that are, give the type of the expression as a whole.
-   For those that are not, why not?
+Types and OCaml
+---------------
 
-    let rec f x = f x;;
+0.     Recall that the S combinator is given by \x y z. x z (y z).
+       Give two different typings for this function in OCaml.
+       To get you started, here's one typing for K:
 
-    let rec f x = f f;;
+               # let k (y:'a) (n:'b) = y;;
+               val k : 'a -> 'b -> 'a = [fun]
+               # k 1 true;;
+               - : int = 1
 
-    let rec f x = f x in f f;;
 
-    let rec f x = f x in f ();;
+1.     Which of the following expressions is well-typed in OCaml? For those that
+       are, give the type of the expression as a whole. For those that are not, why
+       not?
 
-    let rec f () = f f;;
+               let rec f x = f x;;
 
-    let rec f () = f ();;
+               let rec f x = f f;;
 
-    let rec f () = f () in f f;;
+               let rec f x = f x in f f;;
 
-    let rec f () = f () in f ();;
+               let rec f x = f x in f ();;
 
-2. Throughout this problem, assume that we have 
+               let rec f () = f f;;
 
-    let rec omega x = omega x;;
+               let rec f () = f ();;
 
-   All of the following are well-typed.
-   Which ones terminate?  What are the generalizations?
+               let rec f () = f () in f f;;
 
-    omega;;
+               let rec f () = f () in f ();;
 
-    omega ();;
+2.     Throughout this problem, assume that we have
 
-    fun () -> omega ();;
+               let rec blackhole x = blackhole x;;
 
-    (fun () -> omega ()) ();;
+       All of the following are well-typed.
+       Which ones terminate?  What are the generalizations?
 
-    if true then omega else omega;;
+               blackhole;;
 
-    if false then omega else omega;;
+               blackhole ();;
 
-    if true then omega else omega ();;
+               fun () -> blackhole ();;
 
-    if false then omega else omega ();;
+               (fun () -> blackhole ()) ();;
 
-    if true then omega () else omega;;
+               if true then blackhole else blackhole;;
 
-    if false then omega () else omega;;
+               if false then blackhole else blackhole;;
 
-    if true then omega () else omega ();;
+               if true then blackhole else blackhole ();;
 
-    if false then omega () else omega ();;
+               if false then blackhole else blackhole ();;
 
-    let _ = omega in 2;;
+               if true then blackhole () else blackhole;;
 
-    let _ = omega () in 2;;
+               if false then blackhole () else blackhole;;
 
-3. The following expression is an attempt to make explicit the
+               if true then blackhole () else blackhole ();;
+
+               if false then blackhole () else blackhole ();;
+
+               let _ = blackhole in 2;;
+
+               let _ = blackhole () in 2;;
+
+3.     This problem is to begin thinking about controlling order of evaluation.
+The following expression is an attempt to make explicit the
 behavior of `if`-`then`-`else` explored in the previous question.
-The idea is to define an `if`-`then`-`else` expression using 
-other expression types.  So assume that "yes" is any OCAML expression,
-and "no" is any other OCAML expression (of the same type as "yes"!),
+The idea is to define an `if`-`then`-`else` expression using
+other expression types.  So assume that "yes" is any OCaml expression,
+and "no" is any other OCaml expression (of the same type as "yes"!),
 and that "bool" is any boolean.  Then we can try the following:
 "if bool then yes else no" should be equivalent to
 
-    let b = bool in
-    let y = yes in 
-    let n = no in 
-    match b with true -> y | false -> n
+               let b = bool in
+               let y = yes in
+               let n = no in
+               match b with true -> y | false -> n
+
+       This almost works.  For instance,
+
+               if true then 1 else 2;;
+
+       evaluates to 1, and
+
+               let b = true in let y = 1 in let n = 2 in
+               match b with true -> y | false -> n;;
+
+       also evaluates to 1.  Likewise,
+
+               if false then 1 else 2;;
+
+       and
+
+               let b = false in let y = 1 in let n = 2 in
+               match b with true -> y | false -> n;;
+
+       both evaluate to 2.
+
+       However,
+
+               let rec blackhole x = blackhole x in
+               if true then blackhole else blackhole ();;
+
+       terminates, but
+
+               let rec blackhole x = blackhole x in
+               let b = true in
+               let y = blackhole in
+               let n = blackhole () in
+               match b with true -> y | false -> n;;
+
+       does not terminate.  Incidentally, `match bool with true -> yes |
+       false -> no;;` works as desired, but your assignment is to solve it
+       without using the magical evaluation order properties of either `if`
+       or of `match`.  That is, you must keep the `let` statements, though
+       you're allowed to adjust what `b`, `y`, and `n` get assigned to.
+
+       [[hints/assignment 5 hint 1]]
+
+Booleans, Church numerals, and v3 lists in OCaml
+------------------------------------------------
+
+(These questions adapted from web materials by Umut Acar. See
+<http://www.mpi-sws.org/~umut/>.)
+
+Let's think about the encodings of booleans, numerals and lists in System F,
+and get data-structures with the same form working in OCaml. (Of course, OCaml
+has *native* versions of these datas-structures: its `true`, `1`, and `[1;2;3]`.
+But the point of our exercise requires that we ignore those.)
+
+Recall from class System F, or the polymorphic λ-calculus.
+
+       types τ ::= c | 'a | τ1 → τ2 | ∀'a. τ
+       expressions e ::= x | λx:τ. e | e1 e2 | Λ'a. e | e [τ]
+
+The boolean type, and its two values, may be encoded as follows:
+
+       bool := ∀'a. 'a → 'a → 'a
+       true := Λ'a. λt:'a. λf :'a. t
+       false := Λ'a. λt:'a. λf :'a. f
+
+It's used like this:
+
+       b [τ] e1 e2
+
+where b is a boolean value, and τ is the shared type of e1 and e2.
+
+**Exercise**. How should we implement the following terms. Note that the result
+of applying them to the appropriate arguments should also give us a term of
+type bool.
+
+(a) the term not that takes an argument of type bool and computes its negation;
+(b) the term and that takes two arguments of type bool and computes their conjunction;
+(c) the term or that takes two arguments of type bool and computes their disjunction.
+
+
+The type nat (for "natural number") may be encoded as follows:
+
+       nat := ∀'a. 'a → ('a → 'a) → 'a
+       zero := Λ'a. λz:'a. λs:'a → 'a. z
+       succ := λn:nat. Λ'a. λz:'a. λs:'a → 'a. s (n ['a] z s)
+
+A nat n is defined by what it can do, which is to compute a function iterated n
+times. In the polymorphic encoding above, the result of that iteration can be
+any type 'a, as long as you have a base element z : 'a and a function s : 'a → 'a.
+
+**Exercise**: get booleans and Church numbers working in OCaml,
+including OCaml versions of bool, true, false, zero, iszero, succ, and pred.
+It's especially useful to do a version of pred, starting with one
+of the (untyped) versions available in the lambda library
+accessible from the main wiki page.  The point of the excercise
+is to do these things on your own, so avoid using the built-in
+OCaml booleans and integers.
+
+Consider the following list type:
+
+       type 'a list = Nil | Cons of 'a * 'a list
+
+We can encode τ lists, lists of elements of type τ as follows:
+
+       τ list := ∀'a. 'a → (τ → 'a → 'a) → 'a
+       nil τ := Λ'a. λn:'a. λc:τ → 'a → 'a. n
+       make_list τ := λh:τ. λt:τ list. Λ'a. λn:'a. λc:τ → 'a → 'a. c h (t ['a] n c)
+
+More generally, the polymorphic list type is:
+
+       list := ∀'b. ∀'a. 'a → ('b → 'a → 'a) → 'a
+
+As with nats, recursion is built into the datatype.
+
+We can write functions like map:
+
+       map : (σ → τ ) → σ list → τ list
+
+<!--
+               = λf :σ → τ. λl:σ list. l [τ list] nil τ (λx:σ. λy:τ list. make_list τ (f x) y
+-->
+
+**Excercise** convert this function to OCaml. We've given you the type; you
+only need to give the term.
 
-This almost works.  For instance, 
+Also give us the type and definition for a `head` function. Think about what
+value to give back if the argument is the empty list.  Ultimately, we might
+want to make use of our `'a option` technique, but for this assignment, just
+pick a strategy, no matter how clunky. 
 
-    if true then 1 else 2;;
+Be sure to test your proposals with simple lists. (You'll have to `make_list`
+the lists yourself; don't expect OCaml to magically translate between its
+native lists and the ones you buil.d)
 
-evaluates to 1, and 
 
-    let b = true in let y = 1 in let n = 2 in 
-    match b with true -> 1 | false -> 2;;
+<!--
+Consider the following simple binary tree type:
 
-also evaluates to 1.  Likewise,
+       type 'a tree = Leaf | Node of 'a tree * 'a * 'a tree
 
-    if false then 1 else 2;;
+**Excercise**
+Write a function `sum_leaves` that computes the sum of all the leaves in an int
+tree.
 
-and
+Write a function `in_order` : τ tree → τ list that computes the in-order
+traversal of a binary tree. You may assume the above encoding of lists; define
+any auxiliary functions you need.
+-->
 
-    let b = false in let y = 1 in let n = 2 in 
-    match b with true -> y | false -> n;;
 
-both evaluate to 2.
+Baby monads
+-----------
 
-However,
+Read the material on dividing by zero/towards monads from <strike>the end of lecture
+notes for week 6</strike> the start of lecture notes for week 7, then write a function `lift'` that generalized the
+correspondence between + and `add'`: that is, `lift'` takes any two-place
+operation on integers and returns a version that takes arguments of type `int
+option` instead, returning a result of `int option`.  In other words, `lift'`
+will have type:
 
-    let rec omega x = omega x in 
-    if true then omega else omega ();;
+       (int -> int -> int) -> (int option) -> (int option) -> (int option)
 
-terminates, but 
+so that `lift' (+) (Some 3) (Some 4)` will evalute to `Some 7`.
+Don't worry about why you need to put `+` inside of parentheses.
+You should make use of `bind'` in your definition of `lift'`:
 
-    let rec omega x = omega x in 
-    let b = true in
-    let y = omega in 
-    let n = omega () in 
-    match b with true -> y | false -> n;;
+       let bind' (u: int option) (f: int -> (int option)) =
+               match u with None -> None | Some x -> f x;;
 
-does not terminate.  Incidentally, `match bool with true -> yes |
-false -> no;;` works as desired, but your assignment is to solve it
-without using the magical evaluation order properties of either `if`
-or of `match`.  That is, you must keep the `let` statements, though
-you're allowed to adjust what `b`, `y`, and `n` get assigned to.
 
-[[Hint assignment 5 problem 3]]