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-[[!toc]]
-
-Monads
-------
-
-Start by (re)reading the discussion of monads in the lecture notes for
-week 6 [Towards Monads](http://lambda.jimpryor.net//week6/#index4h2).
-In those notes, we saw a way to separate thinking about error
-conditions (such as trying to divide by zero) from thinking about
-normal arithmetic computations.  We did this by making use of the
-option monad: in each place where we had something of type `int`, we
-put instead something of type `int option`, which is a sum type
-consisting either of just an integer, or else some special value which
-we could interpret as signaling that something had gone wrong.
-
-The goal was to make normal computing as convenient as possible: when
-we're adding or multiplying, we don't have to worry about generating
-any new errors, so we do want to think about the difference between
-`int`s and `int option`s.  We tried to accomplish this by defining a
-`bind` operator, which enabled us to peel away the `option` husk to get
-at the delicious integer inside.  There was also a homework problem
-which made this even more convenient by mapping any binary operation
-on plain integers into a lifted operation that understands how to deal
-with `int option`s in a sensible way.
-
-[Linguitics note: Dividing by zero is supposed to feel like a kind of
-presupposition failure.  If we wanted to adapt this approach to
-building a simple account of presupposition projection, we would have
-to do several things.  First, we would have to make use of the
-polymorphism of the `option` type.  In the arithmetic example, we only
-made use of `int option`s, but when we're composing natural language
-expression meanings, we'll need to use types like `N option`, `Det option`,
-`VP option`, and so on.  But that works automatically, because we can use
-any type for the `'a` in `'a option`.  Ultimately, we'd want to have a
-theory of accommodation, and a theory of the situations in which
-material within the sentence can satisfy presuppositions for other
-material that otherwise would trigger a presupposition violation; but,
-not surprisingly, these refinements will require some more
-sophisticated techniques than the super-simple option monad.]
-
-So what exactly is a monad?  As usual, we're not going to be pedantic
-about it, but for our purposes, we can consider a monad to be a system
-that provides at least the following three elements:
-
-*      A way to build a complex type from some basic type.  In the division
-       example, the polymorphism of the `'a option` type provides a way of
-       building an option out of any other type of object.  People often
-       use a container metaphor: if `x` has type `int option`, then `x` is
-       a box that (may) contain an integer.
-
-               type 'a option = None | Some of 'a;;
-
-*      A way to turn an ordinary value into a monadic value.  In OCaml, we
-       did this for any integer `n` by mapping it to
-       the option `Some n`.  To be official, we can define a function
-       called unit:
-
-               let unit x = Some x;;
-
-               val unit : 'a -> 'a option = <fun>
-
-       So `unit` is a way to put something inside of a box.
-
-*      A bind operation (note the type):
-
-               let bind m f = match m with None -> None | Some n -> f n;;
-
-               val bind : 'a option -> ('a -> 'b option) -> 'b option = <fun>
-
-       `bind` takes two arguments (a monadic object and a function from
-       ordinary objects to monadic objects), and returns a monadic
-       object.
-
-       Intuitively, the interpretation of what `bind` does is like this:
-       the first argument computes a monadic object m, which will
-       evaluate to a box containing some ordinary value, call it `x`.
-       Then the second argument uses `x` to compute a new monadic
-       value.  Conceptually, then, we have
-
-               let bind m f = (let x = unwrap m in f x);;
-
-       The guts of the definition of the `bind` operation amount to
-       specifying how to unwrap the monadic object `m`.  In the bind
-       opertor for the option monad, we unwraped the option monad by
-       matching the monadic object `m` with `Some n`--whenever `m`
-       happend to be a box containing an integer `n`, this allowed us to
-       get our hands on that `n` and feed it to `f`.
-
-So the "option monad" consists of the polymorphic option type, the
-unit function, and the bind function.  With the option monad, we can
-think of the "safe division" operation
-
-<pre>
-# let divide num den = if den = 0 then None else Some (num/den);;
-val divide : int -> int -> int option = <fun>
-</pre>
-
-as basically a function from two integers to an integer, except with
-this little bit of option frill, or option plumbing, on the side.
-
-A note on notation: Haskell uses the infix operator `>>=` to stand
-for `bind`.  I really hate that symbol.  Following Wadler, I prefer to
-infix five-pointed star, or on a keyboard, `*`.
-
-
-The Monad laws
---------------
-
-Just like good robots, monads must obey three laws designed to prevent
-them from hurting the people that use them or themselves.
-
-*      **Left identity: unit is a left identity for the bind operation.**
-       That is, for all `f:'a -> 'a m`, where `'a m` is a monadic
-       object, we have `(unit x) * f == f x`.  For instance, `unit` is a
-       function of type `'a -> 'a option`, so we have
-
-<pre>
-# let ( * ) m f = match m with None -> None | Some n -> f n;;
-val ( * ) : 'a option -> ('a -> 'b option) -> 'b option = <fun>
-# let unit x = Some x;;
-val unit : 'a -> 'a option = <fun>
-
-# unit 2;;
-- : int option = Some 2
-# unit 2 * unit;;
-- : int option = Some 2
-
-# divide 6 2;;
-- : int option = Some 3
-# unit 2 * divide 6;;
-- : int option = Some 3
-
-# divide 6 0;;
-- : int option = None
-# unit 0 * divide 6;;
-- : int option = None
-</pre>
-
-The parentheses is the magic for telling OCaml that the
-function to be defined (in this case, the name of the function
-is `*`, pronounced "bind") is an infix operator, so we write
-`m * f` or `( * ) m f` instead of `* m f`.
-
-*      **Associativity: bind obeys a kind of associativity**. Like this:
-
-               (m * f) * g == m * (fun x -> f x * g)
-
-       If you don't understand why the lambda form is necessary (the "fun
-       x" part), you need to look again at the type of bind.
-
-       Some examples of associativity in the option monad:
-
-<pre>
-# Some 3 * unit * unit;; 
-- : int option = Some 3
-# Some 3 * (fun x -> unit x * unit);;
-- : int option = Some 3
-
-# Some 3 * divide 6 * divide 2;;
-- : int option = Some 1
-# Some 3 * (fun x -> divide 6 x * divide 2);;
-- : int option = Some 1
-
-# Some 3 * divide 2 * divide 6;;
-- : int option = None
-# Some 3 * (fun x -> divide 2 x * divide 6);;
-- : int option = None
-</pre>
-
-Of course, associativity must hold for arbitrary functions of
-type `'a -> 'a m`, where `m` is the monad type.  It's easy to
-convince yourself that the bind operation for the option monad
-obeys associativity by dividing the inputs into cases: if `m`
-matches `None`, both computations will result in `None`; if
-`m` matches `Some n`, and `f n` evalutes to `None`, then both
-computations will again result in `None`; and if the value of
-`f n` matches `Some r`, then both computations will evaluate
-to `g r`.
-
-*      **Right identity: unit is a right identity for bind.**  That is, 
-       `m * unit == m` for all monad objects `m`.  For instance,
-
-<pre>
-# Some 3 * unit;;
-- : int option = Some 3
-# None * unit;;
-- : 'a option = None
-</pre>
-
-Now, if you studied algebra, you'll remember that a *monoid* is an
-associative operation with a left and right identity.  For instance,
-the natural numbers along with multiplication form a monoid with 1
-serving as the left and right identity.  That is, temporarily using
-`*` to mean arithmetic multiplication, `1 * n == n == n * 1` for all
-`n`, and `(a * b) * c == a * (b * c)` for all `a`, `b`, and `c`.  As
-presented here, a monad is not exactly a monoid, because (unlike the
-arguments of a monoid operation) the two arguments of the bind are of
-different types.  But if we generalize bind so that both arguments are
-of type `'a -> 'a m`, then we get plain identity laws and
-associativity laws, and the monad laws are exactly like the monoid
-laws (see <http://www.haskell.org/haskellwiki/Monad_Laws>, near the bottom).
-
-
-Monad outlook
--------------
-
-We're going to be using monads for a number of different things in the
-weeks to come.  The first main application will be the State monad,
-which will enable us to model mutation: variables whose values appear
-to change as the computation progresses.  Later, we will study the
-Continuation monad.
-
-The intensionality monad
-------------------------
-
-In the meantime, we'll see a linguistic application for monads:
-intensional function application.  In Shan (2001) [Monads for natural
-language semantics](http://arxiv.org/abs/cs/0205026v1), Ken shows that
-making expressions sensitive to the world of evaluation is
-conceptually the same thing as making use of a *reader monad* (which
-we'll see again soon).  This technique was beautifully re-invented
-by Ben-Avi and Winter (2007) in their paper [A modular
-approach to
-intensionality](http://parles.upf.es/glif/pub/sub11/individual/bena_wint.pdf),
-though without explicitly using monads.
-
-All of the code in the discussion below can be found here: [[intensionality-monad.ml]].
-To run it, download the file, start OCaml, and say 
-
-       # #use "intensionality-monad.ml";;
-
-Note the extra `#` attached to the directive `use`.
-
-Here's the idea: since people can have different attitudes towards
-different propositions that happen to have the same truth value, we
-can't have sentences denoting simple truth values.  If we did, then if John
-believed that the earth was round, it would force him to believe
-Fermat's last theorem holds, since both propositions are equally true.
-The traditional solution is to allow sentences to denote a function
-from worlds to truth values, what Montague called an intension.  
-So if `s` is the type of possible worlds, we have the following
-situation:
-
-
-<pre>
-Extensional types                 Intensional types       Examples
--------------------------------------------------------------------
-
-S         s->t                    s->t                    John left
-DP        s->e                    s->e                    John
-VP        s->e->t                 s->(s->e)->t            left
-Vt        s->e->e->t              s->(s->e)->(s->e)->t    saw
-Vs        s->t->e->t              s->(s->t)->(s->e)->t    thought
-</pre>
-
-This system is modeled on the way Montague arranged his grammar.
-There are significant simplifications: for instance, determiner
-phrases are thought of as corresponding to individuals rather than to
-generalized quantifiers.  If you're curious about the initial `s`'s
-in the extensional types, they're there because the behavior of these
-expressions depends on which world they're evaluated at.  If you are
-in a situation in which you can hold the evaluation world constant,
-you can further simplify the extensional types.  Usually, the
-dependence of the extension of an expression on the evaluation world
-is hidden in a superscript, or built into the lexical interpretation
-function.
-
-The main difference between the intensional types and the extensional
-types is that in the intensional types, the arguments are functions
-from worlds to extensions: intransitive verb phrases like "left" now
-take intensional concepts as arguments (type s->e) rather than plain
-individuals (type e), and attitude verbs like "think" now take
-propositions (type s->t) rather than truth values (type t).
-
-The intenstional types are more complicated than the intensional
-types.  Wouldn't it be nice to keep the complicated types to just
-those attitude verbs that need to worry about intensions, and keep the
-rest of the grammar as extensional as possible?  This desire is
-parallel to our earlier desire to limit the concern about division by
-zero to the division function, and let the other functions, like
-addition or multiplication, ignore division-by-zero problems as much
-as possible.
-
-So here's what we do:
-
-In OCaml, we'll use integers to model possible worlds:
-
-       type s = int;;
-       type e = char;;
-       type t = bool;;
-
-Characters (characters in the computational sense, i.e., letters like
-`'a'` and `'b'`, not Kaplanian characters) will model individuals, and
-OCaml booleans will serve for truth values.
-
-<pre>
-type 'a intension = s -> 'a;;
-let unit x (w:s) = x;;
-
-let ann = unit 'a';;
-let bill = unit 'b';;
-let cam = unit 'c';;
-</pre>
-
-In our monad, the intension of an extensional type `'a` is `s -> 'a`,
-a function from worlds to extensions.  Our unit will be the constant
-function (an instance of the K combinator) that returns the same
-individual at each world.
-
-Then `ann = unit 'a'` is a rigid designator: a constant function from
-worlds to individuals that returns `'a'` no matter which world is used
-as an argument.
-
-Let's test compliance with the left identity law:
-
-<pre>
-# let bind m f (w:s) = f (m w) w;;
-val bind : (s -> 'a) -> ('a -> s -> 'b) -> s -> 'b = <fun>
-# bind (unit 'a') unit 1;;
-- : char = 'a'
-</pre>
-
-We'll assume that this and the other laws always hold.
-
-We now build up some extensional meanings:
-
-       let left w x = match (w,x) with (2,'c') -> false | _ -> true;;
-
-This function says that everyone always left, except for Cam in world
-2 (i.e., `left 2 'c' == false`).
-
-Then the way to evaluate an extensional sentence is to determine the
-extension of the verb phrase, and then apply that extension to the
-extension of the subject:
-
-<pre>
-let extapp fn arg w = fn w (arg w);;
-
-extapp left ann 1;;
-# - : bool = true
-
-extapp left cam 2;;
-# - : bool = false
-</pre>
-
-`extapp` stands for "extensional function application".
-So Ann left in world 1, but Cam didn't leave in world 2.
-
-A transitive predicate:
-
-       let saw w x y = (w < 2) && (y < x);;
-       extapp (extapp saw bill) ann 1;; (* true *)
-       extapp (extapp saw bill) ann 2;; (* false *)
-
-In world 1, Ann saw Bill and Cam, and Bill saw Cam.  No one saw anyone
-in world two.
-
-Good.  Now for intensions:
-
-       let intapp fn arg w = fn w arg;;
-
-The only difference between intensional application and extensional
-application is that we don't feed the evaluation world to the argument.
-(See Montague's rules of (intensional) functional application, T4 -- T10.)
-In other words, instead of taking an extension as an argument,
-Montague's predicates take a full-blown intension.  
-
-But for so-called extensional predicates like "left" and "saw", 
-the extra power is not used.  We'd like to define intensional versions
-of these predicates that depend only on their extensional essence.
-Just as we used bind to define a version of addition that interacted
-with the option monad, we now use bind to intensionalize an
-extensional verb:
-
-<pre>
-let lift pred w arg = bind arg (fun x w -> pred w x) w;;
-
-intapp (lift left) ann 1;; (* true: Ann still left in world 1 *)
-intapp (lift left) cam 2;; (* false: Cam still didn't leave in world 2 *)
-</pre>
-
-Because `bind` unwraps the intensionality of the argument, when the
-lifted "left" receives an individual concept (e.g., `unit 'a'`) as
-argument, it's the extension of the individual concept (i.e., `'a'`)
-that gets fed to the basic extensional version of "left".  (For those
-of you who know Montague's PTQ, this use of bind captures Montague's
-third meaning postulate.)
-
-Likewise for extensional transitive predicates like "saw":
-
-<pre>
-let lift2 pred w arg1 arg2 = 
-  bind arg1 (fun x -> bind arg2 (fun y w -> pred w x y)) w;;
-intapp (intapp (lift2 saw) bill) ann 1;;  (* true: Ann saw Bill in world 1 *)
-intapp (intapp (lift2 saw) bill) ann 2;;  (* false: No one saw anyone in world 2 *)
-</pre>
-
-Crucially, an intensional predicate does not use `bind` to consume its
-arguments.  Attitude verbs like "thought" are intensional with respect
-to their sentential complement, but extensional with respect to their
-subject (as Montague noticed, almost all verbs in English are
-extensional with respect to their subject; a possible exception is "appear"):
-
-<pre>
-let think (w:s) (p:s->t) (x:e) = 
-  match (x, p 2) with ('a', false) -> false | _ -> p w;;
-</pre>
-
-Ann disbelieves any proposition that is false in world 2.  Apparently,
-she firmly believes we're in world 2.  Everyone else believes a
-proposition iff that proposition is true in the world of evaluation.
-
-<pre>
-intapp (lift (intapp think
-                     (intapp (lift left)
-                             (unit 'b'))))
-       (unit 'a') 
-1;; (* true *)
-</pre>
-
-So in world 1, Ann thinks that Bill left (because in world 2, Bill did leave).
-
-The `lift` is there because "think Bill left" is extensional wrt its
-subject.  The important bit is that "think" takes the intension of
-"Bill left" as its first argument.
-
-<pre>
-intapp (lift (intapp think
-                     (intapp (lift left)
-                             (unit 'c'))))
-       (unit 'a') 
-1;; (* false *)
-</pre>
-
-But even in world 1, Ann doesn't believe that Cam left (even though he
-did: `intapp (lift left) cam 1 == true`).  Ann's thoughts are hung up
-on what is happening in world 2, where Cam doesn't leave.
-
-*Small project*: add intersective ("red") and non-intersective
- adjectives ("good") to the fragment.  The intersective adjectives
- will be extensional with respect to the nominal they combine with
- (using bind), and the non-intersective adjectives will take
- intensional arguments.
-
-Finally, note that within an intensional grammar, extensional funtion
-application is essentially just bind:
-
-<pre>
-# let swap f x y = f y x;;
-# bind cam (swap left) 2;;
-- : bool = false
-</pre>