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index 6b80c20..4517509 100644 (file)
@@ -1,6 +1,13 @@
 [[!toc levels=2]]
 
-# System F and recursive types
+# System F: the polymorphic lambda calculus
+
+The simply-typed lambda calculus is beautifully simple, but it can't
+even express the predecessor function, let alone full recursion.  And
+we'll see shortly that there is good reason to be unsatisfied with the
+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
@@ -34,8 +41,7 @@ notational convention (which will last throughout the rest of the
 course) that "<code>x:&alpha;</code>" represents an expression `x`
 whose type is <code>&alpha;</code>.
 
-Then System F can be specified as follows (choosing notation that will
-match up with usage in O'Caml, whose type system is based on System F):
+Then System F can be specified as follows:
 
        System F:
        ---------
@@ -45,19 +51,19 @@ match up with usage in O'Caml, whose type system is based on System F):
 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 variable
-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
+Abstracts "`λx:τ.e`" are similar to abstracts in the simply-typed lambda
 calculus, except that they have their shrug variable annotated with a
 type.  Applications "`e1 e2`" are just like in the simply-typed lambda calculus.
 
@@ -73,24 +79,19 @@ 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>    
 
@@ -105,40 +106,40 @@ 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"):
-
-    N = ∀α. (α->α)->α->α;
-    Pair = (N->N->N) -> N;
-    let zero = α . 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 . λlambda s: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
+however.  Here is one way:
+
+    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
 
     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
+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
@@ -165,19 +166,19 @@ Typing &omega;
 In fact, unlike in the simply-typed lambda calculus, 
 it is even possible to give a type for &omega; in System F. 
 
-<code>&omega; = lambda x:(∀ α. α->α) . x [∀ α . α->α] x</code>
+<code>&omega; = λx:(∀α.α->α). x [∀α.α->α] x</code>
 
 In order to see how this works, we'll apply &omega; to the identity
 function.  
 
 <code>&omega; id ==</code>
 
-    (lambda x:(∀ α . α->α) . x [∀ α . α->α] x) (lambda α . lambda x:α . x)
+    (λx:(∀α.α->α). x [∀α.α->α] x) (Λα.λx:α.x)
 
-Since the type of the identity function is `(∀ α . α->α)`, it's the
+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
 &omega; instantiates the identity function by binding the type
-variable `α` to the universal type `∀ α . α->α`.  Instantiating the
+variable `α` to the universal type `∀α.α->α`.  Instantiating the
 identity function in this way results in an identity function whose
 type is (in some sense, only accidentally) the same as the original
 fully polymorphic identity function.
@@ -228,10 +229,8 @@ uses.  Can we capture this using polymorphic types?
 
 With these basic types, we want to say something like this:
 
-    and:t->t->t = lambda l:t . lambda r:t . l r false
-    and = lambda α . lambda β . 
-            lambda l:α->β . lambda r:α->β . 
-              lambda x:α . and:β (l x) (r x)
+    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