型別理論與形式證明筆記

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ISBN 9781107036505

原標題：Type Theory and Formal Proof: An Introduction

作者：Rob Nederpelt, Herman Geuvers

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第2章：簡單型別lambda運算(simple typed lambda calculus)

2.2 simple type 簡單型別

型別變數 type variable：${\textstyle {\mathbb {V} }=\left\{\alpha ,\beta ,\gamma ,\ldots \right\}}$用希臘字母表示。

${\textstyle \mathbb {T} }$：所有簡單型別，定義如下：

1. 型別變數：${\textstyle \alpha \in {\mathbb {V} }\Rightarrow \alpha \in {\mathbb {T} }}$，表達基本型別，比如list, nat等
2. 箭頭型別：${\textstyle \alpha ,\tau \in {\mathbb {T} }\Rightarrow (\alpha \rightarrow \tau )\in {\mathbb {T} }}$

箭頭${\textstyle \rightarrow }$是右結合的，和函數的apply代入不同。比較${\textstyle \alpha \rightarrow \beta \rightarrow \gamma =\left(\alpha \rightarrow (\beta \rightarrow \gamma )\right)}$和${\textstyle x_{1}x_{2}x_{3}=\left(\left(x_{1}x_{2}\right)x_{3}\right)}$。

註：在本書中，${\textstyle \mathbb {N} }$ 和 ${\textstyle \mathbb {L} }$ 指數學世界的自然數和列表，而nat和list指電腦程式世界的同樣的型別。

「term ${\textstyle M}$有類型（type、型別）${\textstyle \sigma }$」寫成${\textstyle M:\sigma }$

type有唯一性。比如：若${\textstyle x:\sigma }$且${\textstyle x:\tau }$，則${\textstyle \sigma \equiv \tau }$

簡單型別lambda演算的出現的推演規則：

1. application（代入）：若 ${\textstyle M:\sigma \rightarrow \tau }$ 且 ${\textstyle N:\sigma }$，則 ${\textstyle MN:\tau }$
2. abstration（抽象）：若 ${\textstyle x:\sigma }$ 且 ${\textstyle M:\tau }$，則 ${\textstyle \lambda x.M:\sigma \rightarrow \tau }$

${\textstyle (x\ x)}$在這種情況下，因為不可能既是${\textstyle x:\alpha \rightarrow \beta }$且${\textstyle x:\alpha }$這種型別存在，所以這種式子不會被構造到。

若${\textstyle \exists \sigma {\text{ such that }}M:\sigma }$，則${\textstyle M}$是可賦予型別的(typable)。

2.3 Church-typing (explicit typing) 和 Curry-typing (implicit typing)

1. typing à la Church（explicit typing，外顯型別）：先給定型別予變數，再推出其他表達式的型別。
2. typing à la Curry（implicit typing，隱藏型別）：先給定一個表達式，再推論其內變數可能的型別。

explicit typing的案例：

設${\textstyle M\equiv \left(\left(\lambda x.\lambda y.x\right)(u\ v)\right)}$，如果${\textstyle v:\alpha \rightarrow \alpha }$，${\textstyle u:(\alpha \rightarrow \alpha )\rightarrow \beta }$，${\textstyle x:\beta }$，${\textstyle y:\gamma }$，則${\textstyle M:\gamma \rightarrow \beta }$

implicit typing的案例（需要用推理和類似合一 (unification) 的方法）： ${\textstyle M\equiv \left(\left(\lambda x.\lambda y.x\right)(u\ v)\right)}$，可以推論：

${\textstyle v:\alpha }$

${\textstyle u:\alpha \rightarrow \beta }$

${\textstyle \lambda x.\lambda y.x:\gamma \rightarrow \delta }$

${\textstyle x:\gamma }$

${\textstyle \lambda y.x:\delta =\varepsilon \rightarrow \zeta }$

${\textstyle y:\varepsilon }$

${\textstyle x:\gamma =\zeta }$

${\textstyle \lambda y.x:\delta =\varepsilon \rightarrow \gamma }$

${\textstyle \lambda x.\lambda y.x:\gamma \rightarrow \varepsilon \rightarrow \gamma }$

${\textstyle (u\ v):\beta =\gamma }$

${\textstyle u:\alpha \rightarrow \gamma }$

${\textstyle M:\varepsilon \rightarrow \gamma }$

但是implicit typing的型別變數，只是一種示例，可以把β用「ω→ω」這種形式取代。

本書常用explicit typing。

我們用上面的explicit typing的範例，

${\textstyle u:(\alpha \rightarrow \alpha )\rightarrow \beta ,v:(\alpha \rightarrow \alpha )}$ 可以推論到

${\textstyle \left(\left(\lambda x.\lambda y.x\right)(u\ v)\right):\beta \rightarrow \gamma }$，

則可以寫成：

在上下文${\textstyle u:(\alpha \rightarrow \alpha )\rightarrow \beta ,v:(\alpha \rightarrow \alpha )}$下，${\textstyle \left(\left(\lambda x:\beta .\lambda y:\gamma .x\right)(u\ v)\right):\gamma \rightarrow \beta }$

用形式語言的方式寫出來如下： ${\textstyle u:(\alpha \rightarrow \alpha )\rightarrow \beta ,v:(\alpha \rightarrow \alpha )\vdash \left(\left(\lambda x:\beta .\lambda y:\gamma .x\right)(u\ v)\right):\gamma \rightarrow \beta }$