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[lambda.git] / week11.mdwn
index 1b38e49..81534fc 100644 (file)
@@ -28,7 +28,9 @@ This searches for the `n`th element of a list that satisfies the predicate `test
                        | x :: xs -> helper x n xs
                in helper default n lst;;
 
-This duplicates a lot of the structure of `find_nth`; it just has enough different code to retrieve different information when the matching element is found. But now what if you wanted to retrieve yet a different kind of information...? Ideally, there should be some way to factor out the code to find the target element---the `n`th element of the list satisfying the predicate `test`---from the code that retrieves the information you want once the target is found. We might build upon the initial `find_nth` function, since that returns the *position* of the matching element. We could hand that result off to some other function that's designed to retrieve information of a specific sort surrounding that position. But suppose our list has millions of elements, and the target element is at position 600512. The search function will already have traversed 600512 elements of the list looking for the target, then the retrieval function would have to *start again from the beginning* and traverse those same 600512 elements again. It could go a bit faster, since it doesn't have to check each element against `test` as it traverses. It already knows how far it has to travel. But still, this should seem a bit wasteful.
+This duplicates a lot of the structure of `find_nth`; it just has enough different code to retrieve different information when the matching element is found. But now what if you wanted to retrieve yet a different kind of information...?
+
+Ideally, there should be some way to factor out the code to find the target element---the `n`th element of the list satisfying the predicate `test`---from the code that retrieves the information you want once the target is found. We might build upon the initial `find_nth` function, since that returns the *position* of the matching element. We could hand that result off to some other function that's designed to retrieve information of a specific sort surrounding that position. But suppose our list has millions of elements, and the target element is at position 600512. The search function will already have traversed 600512 elements of the list looking for the target, then the retrieval function would have to *start again from the beginning* and traverse those same 600512 elements again. It could go a bit faster, since it doesn't have to check each element against `test` as it traverses. It already knows how far it has to travel. But still, this should seem a bit wasteful.
 
 Here's an idea. What if we had some way of representing a list as "broken" at a specific point. For example, if our base list is:
 
@@ -64,7 +66,23 @@ The kind of data structure we're looking for here is called a **list zipper**. T
 
 would be represented as `([30; 20; 10], [40; 50; 60; 70; 80; 90])`. To move forward in the base list, we pop the head element `40` off of the head element of the second list in the zipper, and push it onto the first list, getting `([40; 30; 20; 10], [50; 60; 70; 80; 90])`. To move backwards again, we pop off of the first list, and push it onto the second. To reconstruct the base list, we just "move backwards" until the first list is empty. (This is supposed to evoke the image of zipping up a zipper; hence the data structure's name.)
 
-This is a very handy datastructure, and it will become even more handy when we translate it over to more complicated base structures, like trees. To help get a good conceptual grip on how to do that, it's useful to introduce a kind of symbolism for talking about zippers. This is just a metalanguage notation, for us theorists; we don't need our programs to interpret the notation. We'll use a specification like this:
+We had some discussio in seminar of the right way to understand the "zipper" metaphor. I think it's best to think of the tab of the zipper being here:
+
+                t
+                 a
+                  b
+                   40;
+               30;     50;
+           20;             60;
+       [10;                    70;
+                                   80;
+                                       90]
+
+And imagine that you're just seeing the left half of a real-zipper, rotated 60 degrees counter-clockwise. When the list is all "zipped up", we've "move backwards" to the state where the first element is targetted:
+
+       ([], [10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90])
+
+However you understand the "zipper" metaphor, this is a very handy datastructure, and it will become even more handy when we translate it over to more complicated base structures, like trees. To help get a good conceptual grip on how to do that, it's useful to introduce a kind of symbolism for talking about zippers. This is just a metalanguage notation, for us theorists; we don't need our programs to interpret the notation. We'll use a specification like this:
 
        [10; 20; 30; *; 50; 60; 70; 80; 90], * filled by 40
 
@@ -73,9 +91,35 @@ to represent a list zipper where the break is at position 3, and the element occ
 
 ##Tree Zippers##
 
-Now how could we translate a zipper-like structure over to trees? What we're aiming for is a way to keep track of where we are in a tree, in the same way that the "broken" lists let us keep track of where we are in the base list. In a particular application, you may only need to implement this for binary trees---trees where internal nodes always have exactly two subtrees. But to get the guiding idea, it's helpful first to think about trees that permit nodes to have many subtrees. Suppose we have the following tree:
+Now how could we translate a zipper-like structure over to trees? What we're aiming for is a way to keep track of where we are in a tree, in the same way that the "broken" lists let us keep track of where we are in the base list.
+
+It's important to set some ground rules for what will follow. If you don't understand these ground rules you will get confused. First off, for many uses of trees one wants some of the nodes or leafs in the tree to be *labeled* with additional information. It's important not to conflate the label with the node itself. Numerically one and the same piece of information---for example, the same `int`---could label two nodes of the tree without those nodes thereby being identical, as here:
+
+               root
+               / \
+             /     \
+           /  \    label 1
+         /      \
+       label 1  label 2
+
+The leftmost leaf and the rightmost leaf have the same label; but they are different leafs. The leftmost leaf has a sibling leaf with the label 2; the rightmost leaf has no siblings that are leafs. Sometimes when one is diagramming trees, one will annotate the nodes with the labels, as above. Other times, when one is diagramming trees, one will instead want to annotate the nodes with tags to make it easier to refer to particular parts of the tree. So for instance, I could diagram the same tree as above as:
+
+                1
+               / \
+             2     \
+           /  \     5
+         /      \
+        3        4
+
+Here I haven't drawn what the labels are. The leftmost leaf, the node tagged "3" in this diagram, doesn't have the label `3`. It has the label 1, as we said before. I just haven't put that into the diagram. The node tagged "2" doesn't have the label `2`. It doesn't have any label. The tree in this example only has information labeling its leafs, not any of its inner nodes. The identity of its inner nodes is exhausted by their position in the tree.
 
-                                1000
+That is a second thing to note. In what follows, we'll only be working with *leaf-labeled* trees. In some uses of trees, one also wants labels on inner nodes. But we won't be discussing any such trees now. Our trees only have labels on their leafs. The diagrams below will tag all of the nodes, as in the second diagram above, and won't display what the leafs' labels are.
+
+Final introductory comment: in particular applications, you may only need to work with binary trees---trees where internal nodes always have exactly two subtrees. That is what we'll work with in the homework, for example. But to get the guiding idea of how tree zippers work, it's helpful first to think about trees that permit nodes to have many subtrees. So that's how we'll start.
+
+Suppose we have the following tree:
+
+                                9200
                            /      |  \
                         /         |    \
                      /            |      \
@@ -86,23 +130,25 @@ Now how could we translate a zipper-like structure over to trees? What we're aim
         20     50     80      91  92  93   94  95  96
        1 2 3  4 5 6  7 8 9
 
-and we want to represent that we're at the node marked `50`. We might use the following metalanguage notation to specify this:
+This is a leaf-labeled tree whose labels aren't displayed. The `9200` and so on are tags to make it easier for us to refer to particular parts of the tree.
+
+Suppose we want to represent that we're *at* the node marked `50`. We might use the following metalanguage notation to specify this:
 
-       {parent = ...; siblings = [node 20; *; node 80]}, * filled by node 50
+       {parent = ...; siblings = [subtree 20; *; subtree 80]}, * filled by subtree 50
 
-This is modeled on the notation suggested above for list zippers. Here `node 20` refers not to a `int` label associated with that node, but rather to the whole subtree rooted at that node:
+This is modeled on the notation suggested above for list zippers. Here `subtree 20` refers to the whole subtree rooted at node `20`:
 
          20
         / | \
        1  2  3
 
-Similarly for `node 50` and `node 80`. We haven't said yet what goes in the `parent = ...` slot. Well, the parent of a subtree targetted on `node 50` should intuitively be a tree targetted on `node 500`:
+Similarly for `subtree 50` and `subtree 80`. We haven't said yet what goes in the `parent = ...` slot. Well, the parent of a subtree targetted on `node 50` should intuitively be a tree targetted on `node 500`:
 
-       {parent = ...; siblings = [*; node 920; node 950]}, * filled by node 500
+       {parent = ...; siblings = [*; subtree 920; subtree 950]}, * filled by subtree 500
 
-And the parent of that targetted subtree should intuitively be a tree targetted on `node 1000`:
+And the parent of that targetted subtree should intuitively be a tree targetted on `node 9200`:
 
-       {parent = None; siblings = [*]}, * filled by node 1000
+       {parent = None; siblings = [*]}, * filled by tree 9200
 
 This tree has no parents because it's the root of the base tree. Fully spelled out, then, our tree targetted on `node 50` would be:
 
@@ -111,26 +157,13 @@ This tree has no parents because it's the root of the base tree. Fully spelled o
              parent = {
                 parent = None;
                 siblings = [*]
-             }, * filled by node 1000;
-             siblings = [*; node 920; node 950]
-          }, * filled by node 500;
-          siblings = [node 20; *; node 80]
-       }, * filled by node 50
-
-In fact, there's some redundancy in this structure, at the points where we have `* filled by node 1000` and `* filled by node 500`. Most of `node 1000`---with the exception of any label attached to node `1000` itself---is determined by the rest of this structure; and so too with `node 500`. So we could really work with:
-
-       {
-          parent = {
-             parent = {
-                parent = None;
-                siblings = [*]
-             }, label for * position (at node 1000);
-             siblings = [*; node 920; node 950]
-          }, label for * position (at node 500);
-          siblings = [node 20; *; node 80]
-       }, * filled by node 50
+             }, * filled by tree 9200;
+             siblings = [*; subtree 920; subtree 950]
+          }, * filled by subtree 500;
+          siblings = [subtree 20; *; subtree 80]
+       }, * filled by subtree 50
 
-Or, if we only had labels on the leafs of our tree:
+In fact, there's some redundancy in this structure, at the points where we have `* filled by tree 9200` and `* filled by subtree 500`. Since node 9200 doesn't have any label attached to it, the subtree rooted in it is determined by the rest of this structure; and so too with `subtree 500`. So we could really work with:
 
        {
           parent = {
@@ -138,47 +171,46 @@ Or, if we only had labels on the leafs of our tree:
                 parent = None;
                 siblings = [*]
              },
-             siblings = [*; node 920; node 950]
+             siblings = [*; subtree 920; subtree 950]
           },
-          siblings = [node 20; *; node 80]
-       }, * filled by node 50
+          siblings = [subtree 20; *; subtree 80]
+       }, * filled by subtree 50
 
-We're understanding the `20` here in `node 20` to just be a metalanguage marker to help us theorists keep track of which node we're referring to. We're supposing the tree structure itself doesn't associate any informative labelling information with those nodes. It only associates informative labels with the tree leafs. (We haven't represented any such labels in our diagrams.)
 
-We still do need to keep track of what fills the outermost targetted position---`* filled by node 50`---because that contain a subtree of arbitrary complexity, that is not determined by the rest of this data structure.
+We still do need to keep track of what fills the outermost targetted position---`* filled by subtree 50`---because that contain a subtree of arbitrary complexity, that is not determined by the rest of this data structure.
 
 For simplicity, I'll continue to use the abbreviated form:
 
-       {parent = ...; siblings = [node 20; *; node 80]}, * filled by node 50
+       {parent = ...; siblings = [subtree 20; *; subtree 80]}, * filled by subtree 50
 
-But that should be understood as standing for the more fully-spelled-out structure. Structures of this sort are called **tree zippers**, for a reason that will emerge. They should already seem intuitively similar to list zippers, though, at least in what we're using them to represent. I think it may initially be more helpful to call these **targetted trees**, though, and so will be switching back and forth between this different terms.
+But that should be understood as standing for the more fully-spelled-out structure. Structures of this sort are called **tree zippers**. They should already seem intuitively similar to list zippers, at least in what we're using them to represent. I think it may also be helpful to call them **targetted trees**, though, and so will be switching back and forth between these different terms.
 
 Moving left in our targetted tree that's targetted on `node 50` would be a matter of shifting the `*` leftwards:
 
-       {parent = ...; siblings = [*; node 50; node 80]}, * filled by node 20
+       {parent = ...; siblings = [*; subtree 50; subtree 80]}, * filled by subtree 20
 
 and similarly for moving right. If the sibling list is implemented as a list zipper, you should already know how to do that. If one were designing a tree zipper for a more restricted kind of tree, however, such as a binary tree, one would probably not represent siblings with a list zipper, but with something more special-purpose and economical.
 
 Moving downward in the tree would be a matter of constructing a tree targetted on some child of `node 20`, with the first part of the targetted tree above as its parent:
 
        {
-          parent = {parent = ...; siblings = [*; node 50; node 80]};
+          parent = {parent = ...; siblings = [*; subtree 50; subtree 80]};
           siblings = [*; leaf 2; leaf 3]
        }, * filled by leaf 1
 
-How would we move upward in a tree? Well, we'd build a regular, untargetted tree with a root node---let's call it `20`---and whose children are given by the outermost sibling list in the targetted tree above, after inserting the targetted subtree into the `*` position:
+How would we move upward in a tree? Well, we'd build a regular, untargetted tree with a root node---let's call it `20'`---and whose children are given by the outermost sibling list in the targetted tree above, after inserting the targetted subtree into the `*` position:
 
-              node 20
+              node 20'
            /     |    \
         /        |      \
        leaf 1  leaf 2  leaf 3
 
-We'll call this new untargetted tree `node 20`. The result of moving upward from our previous targetted tree, targetted on `leaf 1`, would be the outermost `parent` element of that targetted tree, with `node 20` being the subtree that fills that parent's target position `*`:
+We'll call this new untargetted tree `subtree 20'`. The result of moving upward from our previous targetted tree, targetted on `leaf 1`, would be the outermost `parent` element of that targetted tree, with `subtree 20'` being the subtree that fills that parent's target position `*`:
 
        {
           parent = ...;
-          siblings = [*; node 50; node 80]
-       }, * filled by node 20
+          siblings = [*; subtree 50; subtree 80]
+       }, * filled by subtree 20'
 
 Or, spelling that structure out fully:
 
@@ -188,10 +220,10 @@ Or, spelling that structure out fully:
                 parent = None;
                 siblings = [*]
              },
-             siblings = [*; node 920; node 950]
+             siblings = [*; subtree 920; subtree 950]
           },
-          siblings = [*; node 50; node 80]
-       }, * filled by node 20
+          siblings = [*; subtree 50; subtree 80]
+       }, * filled by subtree 20'
 
 Moving upwards yet again would get us:
 
@@ -200,15 +232,15 @@ Moving upwards yet again would get us:
              parent = None;
              siblings = [*]
           },
-          siblings = [*; node 920; node 950]
-       }, * filled by node 500
+          siblings = [*; subtree 920; subtree 950]
+       }, * filled by subtree 500'
 
-where `node 500` refers to a tree built from a root node whose children are given by the list `[*; node 50; node 80]`, with `node 20` inserted into the `*` position. Moving upwards yet again would get us:
+where `subtree 500'` refers to a tree built from a root node whose children are given by the list `[*; subtree 50; subtree 80]`, with `subtree 20'` inserted into the `*` position. Moving upwards yet again would get us:
 
        {
           parent = None;
           siblings = [*]
-       }, * filled by node 1000
+       }, * filled by tree 9200'
 
 where the targetted element is the root of our base tree. Like the "moving backward" operation for the list zipper, this "moving upward" operation is supposed to be reminiscent of closing a zipper, and that's why these data structures are called zippers.
 
@@ -220,7 +252,7 @@ We haven't given you a real implementation of the tree zipper, but only a sugges
 
 ##Same-fringe using a tree zipper##
 
-Recall back in [[Assignment4]], we asked you to enumerate the "fringe" of a leaf-labeled tree. Both of these trees:
+Recall back in [[Assignment4]], we asked you to enumerate the "fringe" of a leaf-labeled tree. Both of these trees (here I *am* drawing the labels in the diagram):
 
            .                .
           / \              / \
@@ -228,7 +260,7 @@ Recall back in [[Assignment4]], we asked you to enumerate the "fringe" of a leaf
         / \                  / \
        1   2                2   3
 
-have the same fringe: `[1;2;3]`. We also asked you to write a function that determined when two trees have the same fringe. The way you approached that back then was to enumerate each tree's fringe, and then compare the two lists for equality. Today, and then again in a later class, we'll encounter two new ways to approach the problem of determining when two trees have the same fringe.
+have the same fringe: `[1;2;3]`. We also asked you to write a function that determined when two trees have the same fringe. The way you approached that back then was to enumerate each tree's fringe, and then compare the two lists for equality. Today, and then again in a later class, we'll encounter new ways to approach the problem of determining when two trees have the same fringe.
 
 
 Supposing you did work out an implementation of the tree zipper, then one way to determine whether two trees have the same fringe would be: go downwards (and leftwards) in each tree as far as possible. Compare the targetted leaves. If they're different, stop because the trees have different fringes. If they're the same, then for each tree, move rightward if possible; if it's not (because you're at the rightmost position in a sibling list), more upwards then try again to move rightwards. Repeat until you are able to move rightwards. Once you do move rightwards, go downwards (and leftwards) as far as possible. Then you'll be targetted on the next leaf in the tree's fringe. The operations it takes to get to "the next leaf" may be different for the two trees. For example, in these trees:
@@ -292,20 +324,21 @@ Here is how you can extract the components of a labeled record:
 
 Anyway, using record types, we might define the tree zipper interface like so:
 
-       type 'a starred_tree = Root | Starring_Left of 'a starred_pair | Starring_Right of 'a starred_pair
-       and 'a starred_pair = { parent : 'a starred_tree; sibling: 'a tree }
-       and 'a zipper = { tree : 'a starred_tree; filler: 'a tree };;
+       type 'a starred_level = Root | Starring_Left of 'a starred_nonroot | Starring_Right of 'a starred_nonroot
+       and 'a starred_nonroot = { parent : 'a starred_level; sibling: 'a tree };;
+
+       type 'a zipper = { level : 'a starred_level; filler: 'a tree };;
 
        let rec move_botleft (z : 'a zipper) : 'a zipper =
            (* returns z if the targetted node in z has no children *)
            (* else returns move_botleft (zipper which results from moving down and left in z) *)
 
 <!--
-           let {tree; filler} = z
+           let {level; filler} = z
            in match filler with
            | Leaf _ -> z
            | Node(left, right) ->
-               let zdown = {tree = Starring_Left {parent = tree; sibling = right}; filler = left}
+               let zdown = {level = Starring_Left {parent = level; sibling = right}; filler = left}
                in move_botleft zdown
            ;;
 -->
@@ -316,12 +349,12 @@ Anyway, using record types, we might define the tree zipper interface like so:
            (* else returns move_right_or_up (result of moving up in z) *)
 
 <!--
-           let {tree; filler} = z
-           in match tree with
-           | Starring_Left {parent; sibling = right} -> Some {tree = Starring_Right {parent; sibling = filler}; filler = right}
+           let {level; filler} = z
+           in match level with
+           | Starring_Left {parent; sibling = right} -> Some {level = Starring_Right {parent; sibling = filler}; filler = right}
            | Root -> None
            | Starring_Right {parent; sibling = left} ->
-               let z' = {tree = parent; filler = Node(left, filler)}
+               let z' = {level = parent; filler = Node(left, filler)}
                in move_right_or_up z'
            ;;
 -->
@@ -329,22 +362,19 @@ Anyway, using record types, we might define the tree zipper interface like so:
 The following function takes an 'a tree and returns an 'a zipper focused on its root:
 
        let new_zipper (t : 'a tree) : 'a zipper =
-           {tree = Root; filler = t}
+           {level = Root; filler = t}
            ;;
 
 Finally, we can use a mutable reference cell to define a function that enumerates a tree's fringe until it's exhausted:
 
        let make_fringe_enumerator (t: 'a tree) =
-           (* create a zipper targetting the root of t *)
-           let zstart = new_zipper t
-           in let zbotleft = move_botleft zstart
+           (* create a zipper targetting the botleft of t *)
+           let zbotleft = move_botleft (new_zipper t)
            (* create a refcell initially pointing to zbotleft *)
            in let zcell = ref (Some zbotleft)
            (* construct the next_leaf function *)
            in let next_leaf () : 'a option =
                match !zcell with
-               | None -> (* we've finished enumerating the fringe *)
-                   None
                | Some z -> (
                    (* extract label of currently-targetted leaf *)
                    let Leaf current = z.filler
@@ -354,6 +384,8 @@ Finally, we can use a mutable reference cell to define a function that enumerate
                        | Some z' -> Some (move_botleft z')
                    (* return saved label *)
                    in Some current
+               | None -> (* we've finished enumerating the fringe *)
+                   None
                )
            (* return the next_leaf function *)
            in next_leaf