update
[lambda.git] / topics / _week7_monads.mdwn
index da0b008..7d189e4 100644 (file)
@@ -1,4 +1,5 @@
-<!-- λ Λ ∀ ≡ α β ρ ω Ω -->
+<!-- λ Λ ∀ ≡ α β γ ρ ω Ω -->
+<!-- Loved this one: http://www.stephendiehl.com/posts/monads.html -->
 
 Monads
 ======
@@ -7,7 +8,7 @@ The [[tradition in the functional programming
 literature|https://wiki.haskell.org/Monad_tutorials_timeline]] is to
 introduce monads using a metaphor: monads are spacesuits, monads are
 monsters, monads are burritos.  We're part of the backlash that
-prefers to say that monads are monads.  
+prefers to say that monads are (Just) monads.  
 
 The closest we will come to metaphorical talk is to suggest that
 monadic types place objects inside of *boxes*, and that monads wrap
@@ -16,22 +17,22 @@ any case, the emphasis will be on starting with the abstract structure
 of monads, followed by instances of monads from the philosophical and
 linguistics literature.
 
-### Boxes: type expressions with one free type variable
+## Box types: type expressions with one free type variable
 
 Recall that we've been using lower-case Greek letters
-<code>&alpha;, &beta;, &gamma;, ...</code> to represent types.  We'll
+<code>&alpha;, &beta;, &gamma;, ...</code> as variables over types.  We'll
 use `P`, `Q`, `R`, and `S` as metavariables over type schemas, where a
 type schema is a type expression that may or may not contain unbound
 type variables.  For instance, we might have
 
-    P ≡ Int
-    P ≡ α -> α
-    P ≡ ∀α. α -> α
-    P ≡ ∀α. α -> β 
+    P_1 ≡ Int
+    P_2 ≡ α -> α
+    P_3 ≡ ∀α. α -> α
+    P_4 ≡ ∀α. α -> β 
 
 etc.
 
-A box type will be a type expression that contains exactly one free
+A *box type* will be a type expression that contains exactly one free
 type variable.  Some examples (using OCaml's type conventions):
 
     α Maybe
@@ -52,6 +53,8 @@ would write
 
 for the type of a boxed Int.
 
+## Kleisli arrows
+
 At the most general level, we'll talk about *Kleisli arrows*:
 
 P -> <u>Q</u>
@@ -68,3 +71,106 @@ Note that the left-hand schema can itself be a boxed type.  That is,
 if `α List` is our box type, we can write the second arrow as
 
 <u>Int</u> -> <u><u>Int</u></u>
+
+We'll need a number of classes of functions to help us maneuver in the
+presence of box types.  We will want to define a different instance of
+each of these for whichever box type we're dealing with.  (This will
+become clearly shortly.)
+
+<code>mid (/&epsilon;maid&epsilon;nt@tI/ aka unit, return, pure): P -> <u>P</u></code>
+
+<code>map (/maep/): (P -> Q) -> <u>P</u> -> <u>Q</u></code>
+
+<code>map2 (/m&ash;ptu/): (P -> Q -> R) -> <u>P</u> -> <u>Q</u> -> <u>R</u></code>
+
+<code>mapply (/&epsilon;m@plai/): <u>P -> Q</u> -> <u>P</u> -> <u>Q</u></code>
+
+<code>mcompose (aka <=<): (Q -> <u>R</u>) -> (P -> <u>Q</u>) -> (P -> <u>R</u>)</code>
+
+<code>mbind (aka >>=): (     <u>Q</u>) -> (Q -> <u>R</u>) -> (     <u>R</u>)</code>
+
+<code>mflipcompose (aka >=>): (P -> <u>Q</u>) -> (Q -> <u>R</u>) -> (P -> <u>R</u>)</code>
+
+<code>mflipbind (aka =<<) (     <u>Q</u>) -> (Q -> <u>R</u>) -> (     <u>R</u>)</code>
+
+<code>mjoin: <u><u>P</u></u> -> <u>P</u></code> 
+
+The managerie isn't quite as bewildering as you might suppose.  For
+one thing, `mcompose` and `mbind` are interdefinable: <code>u >=> k ≡
+\a. (ja >>= k)</code>.
+
+In most cases of interest, instances of these types will provide
+certain useful guarantees.
+
+*   ***Mappable*** ("functors") At the most general level, box types are *Mappable*
+if there is a `map` function defined for that box type with the type given above.
+
+*   ***MapNable*** ("applicatives") A Mappable box type is *MapNable*
+       if there are in addition `map2`, `mid`, and `mapply`.  (With
+       `map2` in hand, `map3`, `map4`, ... `mapN` are easily definable.)
+
+* ***Monad*** ("composables") A MapNable box type is a *Monad* if there
+       is in addition an `mcompose` and a `join` such that `mid` is 
+       a left and right identity for `mcompose`, and `mcompose` is
+       associative.  That is, the following "laws" must hold:
+
+        mcompose mid k = k
+        mcompose k mid = k
+        mcompose (mcompose j k) l = mcompose j (mcompose k l)
+
+To take a trivial (but, as we will see, still useful) example,
+consider the identity box type Id: `α -> α`.  So if α is type Bool,
+then a boxed α is ... a Bool.  In terms of the box analogy, the
+Identity box type is a completly invisible box.  With the following
+definitions
+
+    mid ≡ \p.p
+    mcompose ≡ \fgx.f(gx)
+
+Id is a monad.  Here is a demonstration that the laws hold:
+
+    mcompose mid k == (\fgx.f(gx)) (\p.p) k
+                   ~~> \x.(\p.p)(kx)
+                   ~~> \x.kx
+                   ~~> k
+    mcompose k mid == (\fgx.f(gx)) k (\p.p)
+                   ~~> \x.k((\p.p)x)
+                   ~~> \x.kx
+                   ~~> k
+    mcompose (mcompose j k) l == mcompose ((\fgx.f(gx)) j k) l
+                              ~~> mcompose (\x.j(kx)) l
+                              == (\fgx.f(gx)) (\x.j(kx)) l
+                              ~~> \x.(\x.j(kx))(lx)
+                              ~~> \x.j(k(lx))
+    mcompose j (mcompose k l) == mcompose j ((\fgx.f(gx)) k l)
+                              ~~> mcompose j (\x.k(lx))
+                              == (\fgx.f(gx)) j (\x.k(lx))
+                              ~~> \x.j((\x.k(lx)) x)
+                              ~~> \x.j(k(lx))
+
+Id is the favorite monad of mimes everywhere.  
+
+To take a slightly less trivial (and even more useful) example,
+consider the box type `α List`, with the following operations:
+
+    mid: α -> [α]
+    mid a = [a]
+    mcompose: (β -> [γ]) -> (α -> [β]) -> (α -> [γ])
+    mcompose f g a = concat (map f (g a))
+                   = foldr (\b -> \gs -> (f b) ++ gs) [] (g a) 
+                   = [c | b <- g a, c <- f b]
+
+These three definitions are all equivalent.  In words, `mcompose f g
+a` feeds the a (which has type α) to g, which returns a list of βs;
+each β in that list is fed to f, which returns a list of γs.  The
+final result is the concatenation of those lists of γs.
+
+For example, 
+
+    let f b = [b, b+1] in
+    let g a = [a*a, a+a] in
+    mcompose f g 7 = [49, 50, 14, 15]
+
+It is easy to see that these definitions obey the monad laws (see exercises).
+