Lambda counting

Introduction

The question is: among programs, what is the probability of having a fixed property.

what kind of program : turing machines, cellular automata, combinatory logic, lambda calculus

what kind of properties : structural (for functional programs), behaviour (SN, weakly normalizable, ...

references to known results on : turing machines, cellular automata

we concentrate on combinatory logic, lambda calculus

Lambert function, Catalan and Motzkin numbers

Catalan numbers

• Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle C(n)}  : Catalan numbers

Usual equivalent: Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle C(n) \sim \frac{4^n}{n^{3/2}\sqrt{\pi}}} which is obtained using Strirling formula. However, using stirling series: Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle n!=\sqrt{2\pi n}\left({n\over e}\right)^n \left( 1 +{1\over12n} +{1\over288n^2} -{139\over51840n^3} -{571\over2488320n^4} + \cdots \right) } , we get that for Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle n\geq1} we have Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle \sqrt{2\pi n}\left({n\over e}\right)^n \leq n! \leq \frac{7}{6}\sqrt{2\pi n}\left({n\over e}\right)^n}

Thus, using this and Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle \left(\frac{n}{n+1}\right)^{n} > e^{-1}} , we have:

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle C(n) = \frac{(2n)!}{(n+1)!n!} \geq \frac{36}{49\sqrt{\pi}} \frac{4^n}{(n+1)^\frac{3}{2}}} for all Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle n\geq1} but also for Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle n=0} .

Motzkin numbers

Let us define Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle M(n,k)} the number of unary-binary trees with Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle n} inner nodes and Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle k} leafs. We get

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle M(n,k) = \frac{(n+k-1)!}{(n-k+1)!(k-1)!k!}}

Lambert W function

The Lambert function Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle W(x)} is defined by the equation Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle x = W(x) e ^ {W(x)} } which has a unique solution in Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle \mathbb{R}} .

For Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle x \geq e} , we have Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle \ln(x) - \ln(\ln(x)) \leq W(x) \leq \ln(x)} which implies that Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle W(x) \sim \ln(x)} near Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle +\infty} . To prove this, it is enough to remark that

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle (\ln(x) - \ln(\ln(x))e^{\ln(x)-\ln(\ln(x))} = x \left(1 - \frac{\ln(\ln(x))}{\ln(x)}\right) \leq x \leq x \ln(x) = \ln(x) e^{\ln(x)} }

This is not precise enough for our purpose. Using one step of the Newton method from Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle \ln(x) - \ln(\ln(x))} , we can find a better upper bound for Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle W(x)} because Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle y \mapsto y e^y} is increasing and convex. This gives:

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle \ln(x) - \ln(\ln(x)) \leq W(x) \leq \ln(x) - \ln(\ln(x)) + \frac{\ln(\ln(x))}{\ln(x) - \ln(\ln(x)) + 1}}

Indeed, if we define Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle f(y) = y e^y} , we have Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle f'(y)=(1+y)e^y} and therefore, newton's method from Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle A = \ln(x) - \ln(\ln(x))} gives a point at position:

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle A - \frac{f(A) - x}{f'(A)} = A + \frac{x \ln(\ln(x))}{\ln(x)} \frac{\ln(x)}{x(\ln(x) - \ln(\ln(x)) + 1)} = A + \frac{\ln(\ln(x))}{\ln(x) - \ln(\ln(x)) + 1} }

Finally, we show that for Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle x\geq e} , we have:

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle \ln(x) - \ln(\ln(x)) \leq W(x) \leq \ln(x) - \ln(\ln(x)) + 1}

Indeed, for Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle x > 1} , we have Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle e^{\sqrt{ex}} \geq 1 + \sqrt{ex} + \frac{ex}{2} \geq x} , which implies Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle ex \geq \ln^2(x)} and therefore Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle \ln(x) - \ln\ln(x) + 1 \geq \ln\ln(x)} .

combinatory logic

results on combinatory logic

Generality on lambda calculus

what kind of distribution ?

we look only for densities,

for that we need size.

different size for variables: zero, one, binary with optimal size, binary with fixed size, debruijn indices in unary...

we concentrate on the simple one : variable of size zero (probably similar for size one ) more later for other size

generating functions

this does not work (by now) because radius of convergence 0

no known results for the number of terms of size n (denoted Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle L_n} )

our results

(the proof of result of section k needs the result of section (k-1))

Upper and lower bounds for Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle L_n}

For the lower bound, we will first count the number Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle LB(n,k)} of lambda-terms of size Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle n} starting with Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle k} lambdas and having no other lambda below. This means that the lower part of the term is a binary tree of size Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle n-k} with Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle k} possibility for each leaf. Therefore we have:

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle LB(n,k) = C(n-k) k^{n-k+1}}

And therefore, for Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle n > k} , using our lower bound for Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle C(n)} and Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle n + 1 \geq n - k + 1} , we get:

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle LB(n,k) \geq K \frac{(4k)^{n-k+1}}{(n+1)^\frac{3}{2}}} with Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle K=\frac{36}{49\sqrt{\pi}}}

Now, for Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle n} fixed, we define Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle f(\alpha) = \left(4n\alpha\right)^{n(1-\alpha)}} (so $LB(n,k)\geq {\frac {K}{(n+1)^{\frac {3}{2}}}}f\left({\frac {k}{n}}\right)$) and look for the maximum of this function. We have $f'(\alpha )=nf(\alpha )\left(-\ln(4n\alpha )+{\frac {1-\alpha }{\alpha }}\right)$. Thus, $f'(\alpha )\geq 0$ is equivalent to ${\frac {1}{\alpha }}e^{\frac {1}{\alpha }}\geq 4en$. The Lambert function begin increasing this means that $f'(\alpha )\geq 0$ is equivalent to $\alpha \leq {\frac {1}{W(4en)}}$. Therefore, $f(\alpha )$ reaches a maximum for $\alpha ={\frac {1}{W(4en)}}$.

This means that $(4k)^{n-k}$ reaches its maximum for $n$ fixed when $k$ is near to ${\frac {n}{W(4en)}}$ which is likely not to be an integer. However, there are at least $\left\lfloor {\frac {n(\ln(\ln(4en))-1)}{\ln ^{2}(4en)}}\right\rfloor$ integer between ${\frac {n}{W(4en)}}$ and ${\frac {n}{\ln(4en)}}$. Indeed, using our inequalities on Lambert W function, we have:

${\frac {n}{W(4en)}}-{\frac {n}{\ln(4en)}}={\frac {n(\ln(4en)-W(4en))}{W(4en)\ln(4en)}}\geq {\frac {n(\ln(\ln(4en))-1)}{\ln ^{2}(4en)}}$

Thus, we get the following lowerbound for $L_{n}$:

$\#(L_{n})\geq \sum _{k=1}^{n}LB(n,k)\geq \sum _{k=\lceil {\frac {n}{\ln(4en)}}\rceil }^{\lfloor {\frac {n}{W(4en)}}\rfloor }K{\frac {(4k)^{n-k}}{(n+1)^{\frac {3}{2}}}}\geq K\left\lfloor {\frac {n(\ln(\ln(4en))-1)}{\ln ^{2}(4en)}}\right\rfloor {\frac {\left({\frac {4n}{\ln(4en)}}\right)^{n-{\frac {n}{\ln(4en)}}}}{(n+1)^{\frac {3}{2}}}}$

To simplify, using the fact that $\lim _{n\to +\infty }\left({\frac {\ln(n)}{\ln(4en)}}\right)^{n}=0$ and taking $n$ large enough, we have the following lowerbound:

$\#(L_{n})\geq {\frac {1}{{\sqrt {n}}\ln ^{2}(n)}}\left({\frac {4n}{\ln(n)}}\right)^{n-{\frac {n}{\ln(n)}}}$

at least $o({\sqrt {n/\ln(n)}})$ lambdas in head position and number of lambdas in one path

Remark: (may be 4) can be done directly without 3))

every fixed closed term (including the identity !) does not appear in a random term (in fact we have much more than that)

comment : so different situation in combinatory logic and lambda calculus ; the coding uses a big size so need to count variables in a different way

Experiments

results of the experiments we have done

some experiments that have to be done : e.g. density of terms having $\lambda x.y$ or big Omega pattern ...

to be done

Upper and lower bounds for $L_{n}$ with other size for variables especially one, binary with fixed size

Open questions and Future work

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