pred in system F
[lambda.git] / topics / _week5_simply_typed_lambda.mdwn
index 047ee8b..4caeb55 100644 (file)
@@ -208,32 +208,55 @@ the predecessor of zero should be a number, perhaps zero.)
 
 Rather, the problem is that the definition of the function requires
 subterms that can't be simply-typed.  We'll illustrate with our
-implementation of the predecessor, sightly modified in inessential
-ways to suit present purposes:
+implementation of the predecessor function, based on the discussion in
+Pierce 2002:547:
 
     let zero = \s z. z in
     let snd = \a b. b in
     let pair = \a b. \v. v a b in
     let succ = \n s z. s (n s z) in
-    let collect = \p. p (\a b. pair (succ a) a)
-    let pred = \n. n collect (pair zero zero) snd in
+    let shift = \p. p (\a b. pair (succ a) a)
+    let pred = \n. n shift (pair zero zero) snd in
+
+Note that `shift` applies its argument p ("p" for "pair") to a
+function that ignores its second argument---why does it do that?  In
+order to understand what this code is doing, it is helpful to go
+through a sample computation, the predecessor of 3:
+
+    pred (\s z.s(s(s z)))
+    (\s z.s(s(s z))) (\n.n shift (\f.f 0 0) snd)
+    shift (shift (shift (\f.f 0 0))) snd
+    shift (shift ((\f.f 0 0) (\a b.pair(succ a) a))) snd
+    shift (shift (\f.f 1 0)) snd
+    shift (\f. f 2 1) snd
+    (\f. f 3 2) snd
+    2
+
+At each stage, `shift` sees an ordered pair that contains two numbers
+related by the successor function.  It can safely discard the second
+element without losing any information.  The reason we carry around
+the second element at all is that when it comes time to complete the
+computation---that is, when we finally apply the top-level ordered
+pair to `snd`---it's the second element of the pair that will serve as
+the final result.
 
 Let's see how far we can get typing these terms.  `zero` is the Church
 encoding of zero.  Using `N` as the type for Church numbers (i.e.,
-<code>N &equiv; (&sigma; -> &sigma;) -> &sigma; -> &sigma;</code> for some
-&sigma;, `zero` has type `N`.  `snd` takes two numbers, and returns
-the second, so `snd` has type `N -> N -> N`.  Then the type of `pair`
-is `N -> N -> (type(snd)) -> N`, that is, `N -> N -> (N -> N -> N) ->
-N`.  Likewise, `succ` has type `N -> N`, and `collect` has type `pair
--> pair`, where `pair` is the type of an ordered pair of numbers,
-namely, <code>pair &equiv; (N -> N -> N) -> N</code>.  So far so good.
+<code>N &equiv; (&sigma; -> &sigma;) -> &sigma; -> &sigma;</code> for
+some &sigma;, `zero` has type `N`.  `snd` takes two numbers, and
+returns the second, so `snd` has type `N -> N -> N`.  Then the type of
+`pair` is `N -> N -> (type(snd)) -> N`, that is, `N -> N -> (N -> N ->
+N) -> N`.  Likewise, `succ` has type `N -> N`, and `shift` has type
+`pair -> pair`, where `pair` is the type of an ordered pair of
+numbers, namely, <code>pair &equiv; (N -> N -> N) -> N</code>.  So far
+so good.
 
 The problem is the way in which `pred` puts these parts together.  In
 particular, `pred` applies its argument, the number `n`, to the
-`collect` function.  Since `n` is a number, its type is <code>(&sigma;
+`shift` function.  Since `n` is a number, its type is <code>(&sigma;
 -> &sigma;) -> &sigma; -> &sigma;</code>.  This means that the type of
-`collect` has to match <code>&sigma; -> &sigma;</code>. But we
-concluded above that the type of `collect` also had to be `pair ->
+`shift` has to match <code>&sigma; -> &sigma;</code>. But we
+concluded above that the type of `shift` also had to be `pair ->
 pair`.  Putting these constraints together, it appears that
 <code>&sigma;</code> must be the type of a pair of numbers.  But we
 already decided that the type of a pair of numbers is `(N -> N -> N)
@@ -246,7 +269,7 @@ allowed in the simply-typed lambda calculus.
 The way we got here is that the `pred` function relies on the built-in
 right-fold structure of the Church numbers to recursively walk down
 the spine of its argument.  In order to do that, the argument had to
-apply to the `collect` operation.  And since `collect` had to be the
+apply to the `shift` operation.  And since `shift` had to be the
 sort of operation that manipulates numbers, the infinite regress is
 established.
 
@@ -259,11 +282,11 @@ Because lists are (in effect) a generalization of the Church numbers,
 computing the tail of a list is likewise beyond the reach of the
 simply-typed lambda calculus.
 
-This result is surprising.  It illustrates how recursion is built into
-the structure of the Church numbers (and lists).  Most importantly for
-the discussion of the simply-typed lambda calculus, it demonstrates
-that even fairly basic recursive computations are beyond the reach of
-a simply-typed system.
+This result is not obvious, to say the least.  It illustrates how
+recursion is built into the structure of the Church numbers (and
+lists).  Most importantly for the discussion of the simply-typed
+lambda calculus, it demonstrates that even fairly basic recursive
+computations are beyond the reach of a simply-typed system.
 
 
 ## Montague grammar is based on a simply-typed lambda calculus