manip trees tweaks
[lambda.git] / manipulating_trees_with_monads.mdwn
index e3ed6f3..10c9556 100644 (file)
@@ -314,11 +314,11 @@ Of course, by now you may have realized that we have discovered a new
 monad, the Binary Tree monad:
 
        type 'a tree = Leaf of 'a | Node of ('a tree) * ('a tree);;
-       let tree_unit (a: 'a) = Leaf a;;
+       let tree_unit (a: 'a) : 'a tree = Leaf a;;
        let rec tree_bind (u : 'a tree) (f : 'a -> 'b tree) : 'b tree =
            match u with
            | Leaf a -> f a
-           | Node (l, r) -> Node ((tree_bind l f), (tree_bind r f));;
+           | Node (l, r) -> Node (tree_bind l f, tree_bind r f);;
 
 For once, let's check the Monad laws.  The left identity law is easy:
 
@@ -393,3 +393,136 @@ called a
 [SearchTree](http://hackage.haskell.org/packages/archive/tree-monad/0.2.1/doc/html/src/Control-Monad-SearchTree.html#SearchTree)
 that is intended to represent non-deterministic computations as a tree.
 
+
+What's this have to do with tree\_mondadize?
+--------------------------------------------
+
+So we've defined a Tree monad
+
+       type 'a tree = Leaf of 'a | Node of ('a tree) * ('a tree);;
+       let tree_unit (a: 'a) : 'a tree = Leaf a;;
+       let rec tree_bind (u : 'a tree) (f : 'a -> 'b tree) : 'b tree =
+           match u with
+           | Leaf a -> f a
+           | Node (l, r) -> Node (tree_bind l f, tree_bind r f);;
+
+What's this have to do with the `tree_monadize` functions we defined earlier?
+
+       let rec tree_monadize (f : 'a -> 'b reader) (t : 'a tree) : 'b tree reader =
+           match t with
+           | Leaf a -> reader_bind (f a) (fun b -> reader_unit (Leaf b))
+           | Node (l, r) -> reader_bind (tree_monadize f l) (fun l' ->
+                              reader_bind (tree_monadize f r) (fun r' ->
+                                reader_unit (Node (l', r'))));;
+
+... and so on for different monads?
+
+The answer is that each of those `tree_monadize` functions is adding a Tree monad *layer* to a pre-existing Reader (and so on) monad. So far, we've defined monads as single-layered things. (Though in the Groenendijk, Stokhoff, and Veltmann application, we had to figure out how to combine Reader, State, and Set monads in an ad-hoc way.) But in practice, one often wants to combine the abilities of several monads. Corresponding to each monad like Reader, there's a corresponding ReaderT **monad transformer**. That takes an existing monad M and adds a Reader monad layer to it. The way these are defined parallels the way the single-layer versions are defined. For example, here's the Reader monad:
+
+       (* monadic operations for the Reader monad *)
+
+       type 'a reader =
+               env -> 'a;;
+       let unit (a : 'a) : 'a reader =
+               fun e -> a;;
+       let bind (u: 'a reader) (f : 'a -> 'b reader) : 'b reader =
+               fun e -> (fun v -> f v e) (u e);;
+
+We've just beta-expanded the familiar `f (u e) e` into `(fun v -> f v e) (u e)` to factor out the parts where any Reader monad is being supplied as an argument to another function. Then if we want instead to add a Reader layer to some arbitrary other monad M, with its own M.unit and M.bind, here's how we do it:
+
+       (* monadic operations for the ReaderT monadic transformer *)
+
+       (* We're not giving valid OCaml code, but rather something
+        * that's conceptually easier to digest.
+        * How you really need to write this in OCaml is more circuitious...
+        * see http://lambda.jimpryor.net/code/tree_monadize.ml for some details. *)
+
+       type ('a, M) readerT =
+               env -> 'a M;;
+       (* this is just an 'a M reader; but that doesn't generalize *)
+
+       let unit (a : 'a) : ('a, M) readerT =
+               fun e -> M.unit a;;
+
+       let bind (u : ('a, M) readerT) (f : 'a -> ('b, M) readerT) : ('b, M) readerT =
+               fun e -> M.bind (u e) (fun v -> f v e);;
+
+Notice the key differences: where before we just returned `a`, now we return `M.unit a`. Where before we just supplied a value `u e` of type `'a reader` as an argument to a function, now we instead `M.bind` the `'a reader` to that function. Notice also the differences in the types.
+
+What is the relation between Reader and ReaderT? Well, suppose you started with the Identity monad:
+
+       type 'a identity = 'a;;
+       let unit (a : 'a) : 'a = a;;
+       let bind (u : 'a) (f : 'a -> 'b) : 'b = f u;;
+
+and you used the ReaderT transformer to add a Reader monad layer to the Identity monad. What do you suppose you would get?
+
+The relations between the State monad and the StateT monadic transformer are parallel:
+
+       (* monadic operations for the State monad *)
+
+       type 'a state =
+               store -> ('a * store);;
+
+       let unit (a : 'a) : 'a state =
+               fun s -> (a, s);;
+
+       let bind (u : 'a state) (f : 'a -> 'b state) : 'b state =
+               fun s -> (fun (a, s') -> f a s') (u s);;
+
+We've used `(fun (a, s') -> f a s') (u s)` instead of the more familiar `let (a, s') = u s in f a s'` in order to factor out the part where a value of type `'a state` is supplied as an argument to a function. Now StateT will be:
+
+       (* monadic operations for the StateT monadic transformer *)
+
+       type ('a, M) stateT =
+               store -> ('a * store) M;;
+       (* notice this is not an 'a M state *)
+
+       let unit (a : 'a) : ('a, M) stateT =
+               fun s -> M.unit (a, s);;
+
+       let bind (u : ('a, M) stateT) (f : 'a -> ('b, M) stateT) : ('b, M) stateT =
+               fun s -> M.bind (u s) (fun (a, s') -> f a s');;
+
+Do you see the pattern? Where ordinarily we'd return an `'a` value, now we instead return an `'a M` value. Where ordinarily we'd supply a `'a state` value as an argument to a function, now we instead `M.bind` it to that function.
+
+Okay, now let's do the same thing for our Tree monad.
+
+       (* monadic operations for the Tree monad *)
+
+       type 'a tree =
+               Leaf of 'a | Node of ('a tree) * ('a tree);;
+
+       let unit (a: 'a) : 'a tree =
+               Leaf a;;
+
+       let rec bind (u : 'a tree) (f : 'a -> 'b tree) : 'b tree =
+           match u with
+           | Leaf a -> (fun b -> Leaf b) (f a)
+           | Node (l, r) -> (fun l' r' -> Node (l', r')) (bind l f) (bind r f);;
+
+       (* monadic operations for the TreeT monadic transformer *)
+
+       type ('a, M) treeT =
+               'a tree M;;
+
+       let unit (a: 'a) : ('a, M) tree =
+               M.unit (Leaf a);;
+
+       let rec bind (u : ('a, M) tree) (f : 'a -> ('b, M) tree) : ('b, M) tree =
+           match u with
+           | Leaf a -> M.bind (f a) (fun b -> M.unit (Leaf b))
+           | Node (l, r) -> M.bind (bind l f) (fun l' ->
+                                                       M.bind (bind r f) (fun r' ->
+                                                               M.unit (Node (l', r'));;
+
+Compare this definition of `bind` for the TreeT monadic transformer to our earlier definition of `tree_monadize`, specialized for the Reader monad:
+
+       let rec tree_monadize (f : 'a -> 'b reader) (t : 'a tree) : 'b tree reader =
+           match t with
+           | Leaf a -> reader_bind (f a) (fun b -> reader_unit (Leaf b))
+           | Node (l, r) -> reader_bind (tree_monadize f l) (fun l' ->
+                              reader_bind (tree_monadize f r) (fun r' ->
+                                reader_unit (Node (l', r'))));;
+
+