(no commit message)
[lambda.git] / topics / _week5_simply_typed_lambda.mdwn
index 71856f6..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
@@ -272,33 +295,39 @@ Systems based on the simply-typed lambda calculus are the bread and
 butter of current linguistic semantic analysis.  One of the most
 influential modern semantic formalisms---Montague's PTQ
 fragment---included a simply-typed version of the Predicate Calculus
-with lambda abstraction.  
+with lambda abstraction.
 
 Montague called the semantic part of his PTQ fragment *Intensional
-Logic*.  Montague's IL had three base types: `e`, for individuals,
-`t`, for truth values, and `s` for evaluation indicies (world-time
-pairs).  The set of types was defined recursively:
-
-    e, t, s are base types
+Logic*.  Without getting too fussy about details, we'll present the
+popular Ty2 version of the PTQ types, roughly as proposed by Gallin
+(1975).  [See Zimmermann, Ede. 1989. Intensional logic and two-sorted
+type theory.  *Journal of Symbolic Logic* ***54.1***: 65--77 for a
+precise characterization of the correspondence between IL and
+two-sorted Ty2.]
+
+We'll need three base types: `e`, for individuals, `t`, for truth
+values, and `s` for evaluation indicies (world-time pairs).  The set
+of types is defined recursively:
+
+    the base types e, t, and s are types
     if a and b are types, <a,b> is a type
-    if a is a type, <s,a> is a type
 
-So `<e,<e,t>>` and `<s,<<s,e>,t>>` are types, but `<e,s>` is not a
-type.  As we have mentioned, this paper is the source for the
-convention in linguistics that a type of the form `<a, b>` corresponds
-to a functional type that we will write here as `a -> b`.
+So `<e,<e,t>>` and `<s,<<s,e>,t>>` are types.  As we have mentioned,
+this paper is the source for the convention in linguistics that a type
+of the form `<a, b>` corresponds to a functional type that we will
+write here as `a -> b`.  So the type `<a,b>` is the type of a function
+that maps objects of type `a` onto objects of type `b`.
 
 Montague gave rules for the types of various logical formulas.  Of
 particular interest here, he gave the following typing rules for
 functional application and for lambda abstracts:
 
 * If *&alpha;* is an expression of type *<a, b>*, and *&beta;* is an
-expression of type b, then *&alpha;(&beta;)* has type *b*.  * If
-*&alpha;* is an expression of type *a*, and *u* is a variable of type
-*b*, then *&lambda;u&alpha;* has type <code><b, a></code>.
+expression of type b, then *&alpha;(&beta;)* has type *b*.  
 
-When we talk about monads, we will investigate Montague's treatment of
-intensionality in some detail.  In the meantime, Montague's PTQ
-fragment is responsible for making the simply-typed lambda calculus
-the baseline semantic analysis for linguistics.
+* If *&alpha;* is an expression of type *a*, and *u* is a variable of type *b*, then *&lambda;u&alpha;* has type <code><b, a></code>.
 
+When we talk about monads, we will consider Montague's treatment of
+intensionality in some detail.  In the meantime, Montague's PTQ is
+responsible for making the simply-typed lambda calculus the baseline
+semantic analysis for linguistics.