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Dynamische Programmierung-Dokumentation
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Dynamische Programmierung-Anleitung · 4/6

Complexity

Dieses Kapitel ist vorerst nur auf Englisch verfügbar.

Analyzing a DP is usually mechanical: count the states, count the work per state, and multiply. This chapter applies that rule to the classic problems, explains why knapsack is called pseudo-polynomial, compares memoization with tabulation, and shows how to cut memory with rolling arrays.

The basic rule

  • Time = number of states x work per transition.
  • Space = number of states kept in memory at the same time.

For Fibonacci there are n + 1 states and each does constant work, so time is O(n). For LCS there are (n + 1)(m + 1) states, each doing constant work, so time is O(nm). For coin change with k coin types, each of the amount + 1 states looks at k coins, giving O(amount x k).

Classic problems at a glance

ProblemStateTimeSpace (table)Space (optimized)
FibonaccinO(n)O(n)O(1)
Coin change (min coins)amountO(A x k)O(A)O(A)
0/1 knapsackitem, capacityO(n x W)O(n x W)O(W)
LCS / edit distancei, jO(n x m)O(n x m)O(min(n, m))
LIS, simple DPend indexO(n^2)O(n)O(n)
LIS, patience sortinglengthO(n log n)O(n)O(n)

There is rarely a separate best or worst case for a DP: the table is filled completely regardless of the input values. Memoization can be faster in practice when only a fraction of the states is reachable from the starting state.

Pseudo-polynomial time

O(n x W) for knapsack looks polynomial, but W is a number, not the length of the input. Writing W takes only about log2(W) bits, so adding one more bit to the input can double the running time. Such algorithms are called pseudo-polynomial. The 0/1 knapsack problem is NP-hard in general; DP is practical only when capacities are reasonably small integers. When is huge but is tiny (say 40 items), meet-in-the-middle enumeration is often a better choice.

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W
n

Memoization vs tabulation

AspectMemoization (top-down)Tabulation (bottom-up)
Code shapeRecursive function plus cacheLoops over a table
States computedOnly reachable onesAll of them
OrderFound automaticallyYou must choose it
OverheadFunction calls, hashing of argumentsArray indexing
Recursion depthCan hit limits (Python default about 1000)No recursion
Space optimizationHardNatural (rolling rows)

In Python the recursion limit is the most common surprise. A memoized function on a chain of a few thousand states raises RecursionError, and sys.setrecursionlimit does not always help: recent Python versions also limit how deep calls may nest through C code, and the functools.cache wrapper is written in C. A simple workaround is to warm the cache from small to large, so every call finds its smaller states already stored.

from functools import cache


@cache
def ways(n: int) -> int:
    """Number of ways to climb n stairs with steps of 1 or 2."""
    if n <= 1:
        return 1
    return ways(n - 1) + ways(n - 2)


try:
    ways(5_000)
except RecursionError:
    print("too deep")

for i in range(5_001):  # warm up: each call recurses only one level
    ways(i)
print(ways(5_000) % 1_000_000_007)
print(ways.cache_info().currsize)  # 5001 states stored

Warming up is really bottom-up evaluation in disguise. For tens of thousands of states, write the loop directly.

Rolling arrays

If a row of the table depends only on the previous row, you never need more than two rows at once. LCS length in O(min(n, m)) space:

def lcs_length(a: str, b: str) -> int:
    if len(b) > len(a):
        a, b = b, a  # make b the shorter string
    prev = [0] * (len(b) + 1)
    for ch in a:
        cur = [0] * (len(b) + 1)
        for j, bj in enumerate(b, start=1):
            cur[j] = prev[j - 1] + 1 if ch == bj else max(prev[j], cur[j - 1])
        prev = cur
    return prev[-1]


print(lcs_length("ABCBDAB", "BDCABA"))  # 4

The trade-off: with only two rows left, you can no longer walk the table backwards to reconstruct the subsequence. Hirschberg's algorithm recovers it in linear space with a divide-and-conquer trick, at roughly twice the time.

Beating the obvious recurrence

Sometimes a better state definition changes the complexity class. The simple LIS recurrence checks every earlier index, giving O(n^2). Keeping, for each length, the smallest possible tail value lets binary search replace the inner loop:

from bisect import bisect_left


def lis_length(nums: list[int]) -> int:
    tails: list[int] = []  # tails[k] = smallest tail of an increasing run of length k + 1
    for x in nums:
        k = bisect_left(tails, x)
        if k == len(tails):
            tails.append(x)
        else:
            tails[k] = x
    return len(tails)


print(lis_length([3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6]))  # 4, for example 1, 4, 5, 9

tails stays sorted, so each element costs O(log n) and the total is O(n log n).

Comparison with other approaches

ApproachTypical cost on knapsack-like problemsCorrect?
Brute force over all subsetsO(2^n)Yes, but only for small n
Greedy by value/weight ratioO(n log n)Not for 0/1 knapsack (correct for the fractional version)
Dynamic programmingO(n x W)Yes, when W is small
Branch and boundExponential worst case, often fastYes

Summary

  • Time is states x transition cost; space is the states you keep at once.
  • Knapsack DP is pseudo-polynomial because it depends on the numeric value of W.
  • Memoization computes only reachable states but pays for recursion; tabulation is predictable and easy to optimize.
  • Rolling arrays cut memory to one or two rows at the cost of reconstruction.

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