adjusted talk about *and*
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index 4bde11e..242ada4 100644 (file)
@@ -9,23 +9,6 @@ simply-typed lambda calculus as a way of expressing natural language
 meaning.  So we will need to get more sophisticated about types.  The
 next step in that journey will be to consider System F.
 
-In the simply-typed lambda calculus, we write types like <code>&sigma;
--> &tau;</code>.  This looks like logical implication.  We'll take
-that resemblance seriously when we discuss the Curry-Howard
-correspondence.  In the meantime, note that types respect modus
-ponens: 
-
-<pre>
-Expression    Type      Implication
------------------------------------
-fn            &alpha; -> &beta;    &alpha; &sup; &beta;
-arg           &alpha;         &alpha;
-------        ------    --------
-(fn arg)      &beta;         &beta;
-</pre>
-
-The implication in the right-hand column is modus ponens, of course.
-
 System F was discovered by Girard (the same guy who invented Linear
 Logic), but it was independently proposed around the same time by
 Reynolds, who called his version the *polymorphic lambda calculus*.
@@ -51,16 +34,16 @@ Then System F can be specified as follows:
 In the definition of the types, "`c`" is a type constant.  Type
 constants play the role in System F that base types play in the
 simply-typed lambda calculus.  So in a lingusitics context, type
-constants might include `e` and `t`.  "α" is a type variable.  The
-tick mark just indicates that the variable ranges over types rather
-than over values; in various discussion below and later, type variables
-can be distinguished by using letters from the greek alphabet
-(&alpha;, &beta;, etc.), or by using capital roman letters (X, Y,
-etc.).  "`τ1 -> τ2`" is the type of a function from expressions of
-type `τ1` to expressions of type `τ2`.  And "`∀α.τ`" is called a
-universal type, since it universally quantifies over the type variable
-`'a`.  You can expect that in `∀α.τ`, the type `τ` will usually
-have at least one free occurrence of `α` somewhere inside of it.
+constants might include `e` and `t`.  "α" is a type variable.  In
+various discussions, type variables are distinguished by using letters
+from the greek alphabet (&alpha;, &beta;, etc.), as we do here, or by
+using capital roman letters (X, Y, etc.), or by adding a tick mark
+(`'a`, `'b`, etc.), as in OCaml.  "`τ1 -> τ2`" is the type of a
+function from expressions of type `τ1` to expressions of type `τ2`.
+And "`∀α.τ`" is called a universal type, since it universally
+quantifies over the type variable `&alpha;`.  You can expect that in
+`∀α.τ`, the type `τ` will usually have at least one free occurrence of
+`α` somewhere inside of it.
 
 In the definition of the expressions, we have variables "`x`" as usual.
 Abstracts "`λx:τ.e`" are similar to abstracts in the simply-typed lambda
@@ -79,24 +62,19 @@ variables.  So in the expression
 <code>&Lambda; α (&lambda; x:α. x)</code>
 
 the <code>&Lambda;</code> binds the type variable `α` that occurs in
-the <code>&lambda;</code> abstract.  Of course, as long as type
-variables are carefully distinguished from expression variables (by
-tick marks, Grecification, or capitalization), there is no need to
-distinguish expression abstraction from type abstraction by also
-changing the shape of the lambda.
-
-The expression immediately below is a polymorphic version of the
-identity function.  It defines one general identity function that can
-be adapted for use with expressions of any type. In order to get it
-ready to apply this identity function to, say, a variable of type
-boolean, just do this:
+the <code>&lambda;</code> abstract.  
+
+This expression is a polymorphic version of the identity function.  It
+defines one general identity function that can be adapted for use with
+expressions of any type. In order to get it ready to apply this
+identity function to, say, a variable of type boolean, just do this:
 
 <code>(&Lambda; α (&lambda; x:α. x)) [t]</code>    
 
 This type application (where `t` is a type constant for Boolean truth
 values) specifies the value of the type variable `α`.  Not
-surprisingly, the type of this type application is a function from
-Booleans to Booleans:
+surprisingly, the type of the expression that results from this type
+application is a function from Booleans to Booleans:
 
 <code>((&Lambda;α (&lambda; x:α . x)) [t]): (b->b)</code>    
 
@@ -111,57 +89,57 @@ instantiated as a function from expresions of type `α` to expressions
 of type `α`.  In general, then, the type of the uninstantiated
 (polymorphic) identity function is
 
-<code>(&Lambda;α (&lambda;x:α . x)): (&forall;α. α-α)</code>
+<code>(&Lambda;α (&lambda;x:α . x)): (&forall;α. α->α)</code>
 
 Pred in System F
 ----------------
 
 We saw that the predecessor function couldn't be expressed in the
 simply-typed lambda calculus.  It *can* be expressed in System F,
-however.  Here is one way, coded in
-[[Benjamin Pierce's type-checker and evaluator for
-System F|http://www.cis.upenn.edu/~bcpierce/tapl/index.html]] (the
-relevant evaluator is called "fullpoly"):
+however.  Here is one way:
 
-    N = ∀α.(α->α)->α->α;
-    Pair = (N->N->N)->N;
+    let N = ∀α.(α->α)->α->α in
+    let Pair = (N->N->N)->N in
 
     let zero = Λα. λs:α->α. λz:α. z in 
     let fst = λx:N. λy:N. x in
     let snd = λx:N. λy:N. y in
     let pair = λx:N. λy:N. λz:N->N->N. z x y in
-    let suc = λn:N. Λα. λs:α->α. λz:α. s (n [α] s z) in
-    let shift = λp:Pair. pair (suc (p fst)) (p fst) in
-    let pre = λn:N. n [Pair] shift (pair zero zero) snd in
+    let succ = λn:N. Λα. λs:α->α. λz:α. s (n [α] s z) in
+    let shift = λp:Pair. pair (succ (p fst)) (p fst) in
+    let pred = λn:N. n [Pair] shift (pair zero zero) snd in
 
     pre (suc (suc (suc zero)));
 
-We've truncated the names of "suc(c)" and "pre(d)", since those are
-reserved words in Pierce's system.  Note that in this code, there is
-no typographic distinction between ordinary lambda and type-level
-lambda, though the difference is encoded in whether the variables are
-lower case (for ordinary lambda) or upper case (for type-level
-lambda).
+[If you want to run this code in 
+[[Benjamin Pierce's type-checker and evaluator for
+System F|http://www.cis.upenn.edu/~bcpierce/tapl/index.html]], the
+relevant evaluator is called "fullpoly", and you'll need to 
+truncate the names of "suc(c)" and "pre(d)", since those are
+reserved words in Pierce's system.]
+
+Exercise: convince yourself that `zero` has type `N`.
 
 The key to the extra expressive power provided by System F is evident
-in the typing imposed by the definition of `pre`.  The variable `n` is
-typed as a Church number, i.e., as `∀α.(α->α)->α->α`.  The type
-application `n [Pair]` instantiates `n` in a way that allows it to
-manipulate ordered pairs: `n [Pair]: (Pair->Pair)->Pair->Pair`.  In
-other words, the instantiation turns a Church number into a
+in the typing imposed by the definition of `pred`.  The variable `n`
+is typed as a Church number, i.e., as `N &equiv; ∀α.(α->α)->α->α`.
+The type application `n [Pair]` instantiates `n` in a way that allows
+it to manipulate ordered pairs: `n [Pair]: (Pair->Pair)->Pair->Pair`.
+In other words, the instantiation turns a Church number into a certain
 pair-manipulating function, which is the heart of the strategy for
-this version of predecessor.  
-
-Could we try to build a system for doing Church arithmetic in which
-the type for numbers always manipulated ordered pairs?  The problem is
-that the ordered pairs we need here are pairs of numbers.  If we tried
-to replace the type for Church numbers with a concrete (simple) type,
-we would have to replace each `X` with the type for Pairs, `(N -> N ->
-N) -> N`.  But then we'd have to replace each of these `N`'s with the
-type for Church numbers, `(α -> α) -> α -> α`.  And then we'd have to
-replace each of these `α`'s with... ad infinitum.  If we had to choose
-a concrete type built entirely from explicit base types, we'd be
-unable to proceed.
+this version of computing the predecessor function.
+
+Could we try to accommodate the needs of the predecessor function by
+building a system for doing Church arithmetic in which the type for
+numbers always manipulated ordered pairs?  The problem is that the
+ordered pairs we need here are pairs of numbers.  If we tried to
+replace the type for Church numbers with a concrete (simple) type, we
+would have to replace each `N` with the type for Pairs, `(N -> N -> N)
+-> N`.  But then we'd have to replace each of these `N`'s with the
+type for Church numbers, which we're imagining is `(Pair -> Pair) ->
+Pair -> Pair`.  And then we'd have to replace each of these `Pairs`'s
+with... ad infinitum.  If we had to choose a concrete type built
+entirely from explicit base types, we'd be unable to proceed.
  
 [See Benjamin C. Pierce. 2002. *Types and Programming Languages*, MIT
 Press, chapter 23.]
@@ -177,9 +155,7 @@ it is even possible to give a type for &omega; in System F.
 In order to see how this works, we'll apply &omega; to the identity
 function.  
 
-<code>&omega; id ==</code>
-
-    (λx:(∀α.α->α). x [∀α.α->α] x) (Λα.λx:α.x)
+<code>&omega; id &equiv; (λx:(∀α.α->α). x [∀α.α->α] x) (Λα.λx:α.x)</code>
 
 Since the type of the identity function is `∀α.α->α`, it's the
 right type to serve as the argument to &omega;.  The definition of
@@ -202,8 +178,8 @@ form in a finite number of steps.
 Not only does a fixed-point combinator remain out of reach, we can't
 even construct an infinite loop.  This means that although we found a
 type for &omega;, there is no general type for &Omega; &equiv; &omega;
-&omega;.  Furthermore, it turns out that no Turing complete system can
-be strongly normalizing, from which it follows that System F is not
+&omega;.  In fact, it turns out that no Turing complete system can be
+strongly normalizing, from which it follows that System F is not
 Turing complete.
 
 
@@ -216,10 +192,11 @@ The classic case study motivating polymorphism in natural language
 comes from coordination.  (The locus classicus is Partee and Rooth
 1983.)
 
-    Ann left and Bill left.
-    Ann left and slept.
-    Ann and Bill left.
-    Ann read and reviewed the book.
+                                      Type of the argument of "and":
+    Ann left and Bill left.           t
+    Ann left and slept.               e->t
+    Ann and Bill left.                (e->t)-t  (i.e, generalize quantifiers)
+    Ann read and reviewed the book.   e->e->t
 
 In English (likewise, many other languages), *and* can coordinate
 clauses, verb phrases, determiner phrases, transitive verbs, and many
@@ -227,7 +204,9 @@ other phrase types.  In a garden-variety simply-typed grammar, each
 kind of conjunct has a different semantic type, and so we would need
 an independent rule for each one.  Yet there is a strong intuition
 that the contribution of *and* remains constant across all of these
-uses.  Can we capture this using polymorphic types?
+uses.  
+
+Can we capture this using polymorphic types?
 
     Ann, Bill      e
     left, slept    e -> t    
@@ -236,38 +215,41 @@ uses.  Can we capture this using polymorphic types?
 With these basic types, we want to say something like this:
 
     and:t->t->t = λl:t. λr:t. l r false
-    and = Λα.Λβ.λl:α->β.λr:α->β.λx:α. and [β] (l x) (r x)
-
-The idea is that the basic *and* conjoins expressions of type `t`, and
-when *and* conjoins functional types, it builds a function that
-distributes its argument across the two conjuncts and conjoins the two
-results.  So `Ann left and slept` will evaluate to `(\x.and(left
-x)(slept x)) ann`.  Following the terminology of Partee and Rooth, the
-strategy of defining the coordination of expressions with complex
-types in terms of the coordination of expressions with less complex
-types is known as Generalized Coordination.
-
-But the definitions just given are not well-formed expressions in
-System F.  There are three problems.  The first is that we have two
-definitions of the same word.  The intention is for one of the
-definitions to be operative when the type of its arguments is type
-`t`, but we have no way of conditioning evaluation on the *type* of an
-argument.  The second is that for the polymorphic definition, the term
-*and* occurs inside of the definition.  System F does not have
-recursion.  
-
-The third problem is more subtle.  The defintion as given takes two
-types as parameters: the type of the first argument expected by each
-conjunct, and the type of the result of applying each conjunct to an
-argument of that type.  We would like to instantiate the recursive use
-of *and* in the definition by using the result type.  But fully
-instantiating the definition as given requires type application to a
-pair of types, not to just a single type.  We want to somehow
-guarantee that β will always itself be a complex type.
-
-So conjunction and disjunction provide a compelling motivation for
-polymorphism in natural language, but we don't yet have the ability to
-build the polymorphism into a formal system.
+    gen_and = Λα.Λβ.λf:(β->t).λl:α->β.λr:α->β.λx:α. f (l x) (r x)
+
+The idea is that the basic *and* (the one defined in the first line)
+conjoins expressions of type `t`.  But when *and* conjoins functional
+types (the definition in the second line), it builds a function that
+distributes its argument across the two conjuncts and then applies the
+appropriate lower-order instance of *and*.
+
+    and (Ann left) (Bill left)
+    gen_and [e] [t] and left slept
+    gen_and [e] [e->t] (gen_and [e] [t] and) read reviewed
+
+Following the terminology of Partee and Rooth, this strategy of
+defining the coordination of expressions with complex types in terms
+of the coordination of expressions with less complex types is known as
+Generalized Coordination, which is why we call the polymorphic part of
+the definition `gen_and`.
+
+In the first line, the basic *and* is ready to conjoin two truth
+values.  In the second line, the polymorphic definition of `gen_and`
+makes explicit exactly how the meaning of *and* when it coordinates
+verb phrases depends on the meaning of the basic truth connective.
+Likewise, when *and* coordinates transitive verbs of type `e->e->t`,
+the generalized *and* depends on the `e->t` version constructed for
+dealing with coordinated verb phrases.
+
+On the one hand, this definition accurately expresses the way in which
+the meaning of the conjunction of more complex types relates to the
+meaning of the conjunction of simpler types.  On the other hand, it's
+awkward to have to explicitly supply an expression each time that
+builds up the meaning of the *and* that coordinates the expressions of
+the simpler types.  We'd like to have that automatically handled by
+the polymorphic definition; but that would require writing code that
+behaved differently depending on the types of its type arguments,
+which goes beyond the expressive power of System F.
 
 And in fact, discussions of generalized coordination in the
 linguistics literature are almost always left as a meta-level
@@ -276,6 +258,10 @@ Hendriks' 1992:74 dissertation, generalized coordination is
 implemented as a method for generating a suitable set of translation
 rules, which are in turn expressed in a simply-typed grammar.
 
+There is some work using System F to express generalizations about
+natural language: Ponvert, Elias. 2005. Polymorphism in English Logical
+Grammar. In *Lambda Calculus Type Theory and Natural Language*: 47--60.
+
 Not incidentally, we're not aware of any programming language that
 makes generalized coordination available, despite is naturalness and
 ubiquity in natural language.  That is, coordination in programming