Towards Dynamic Programming on Generalized Data Structures: and Applications of Dynamic Programming in Bioinformatics

Dynamische Programmierung (DP) ist eine Methode um Optimisierungsprobleme zu lösen. Hierbei wird das Problem in sich überlappende Teilprobleme unterteilt und eine optimale Lösung zu jedem der Teilprobleme berechnet. Diese werden dann wiederrum zur Gesamtlösung zusammengesetzt. Teillösungen werden in einer Tabelle gespeichert, sodass jede Teillösung nur einmal berechnet werden muss. So kann ein Suchraum exponentieller Größe in polynomieller Zeit durchsucht und eine optimale Lösung gefunden werden. Die dynamische Programmierung wurde 1952 von Bellman entwickelt und eine der ersten Anwendung war die Detektion von Tippfehlern beim Programmieren. DP Algorithmen werden oft und sehr vielschichtig in der Bioinformatik angewendet wie zum Beispiel beim Vergleich von Gensequenzen, Sequenzalignment genannt, oder der Vorhersage von Molekülstrukturen. Die Menge an Daten und somit auch deren Analyse steigt stetig an, weshalb neue und komplexere Datenstrukturen immer wichtiger werden. Ein Ziel ist es deswegen, DP Algorithmen zu entwickeln, die auf komplexeren Daten- strukturen als Strings angewendet werden können. Durch das Prinzip der algebraischen dynamischen Programmierung (ADP) können DP Algorithmen in kleinere Bestandteile zerlegt werden, die dann unabhängig voneinander weiterentwickelt und abgeändert werden können. Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert, wobei der erste Teil die theoretische Arbeit zur Entwicklung von Algorithmen der dynamischen Programmierung beinhaltet. Hierbei werden zuerst Prinzipien und Definitionen zur dynamischen Programmierung vorgestellt (Kapitel 2), um ein besseres Verständnis der darauffolgenden Kapitel zu gewährleisten. Der zweite Teil der Arbeit zeigt unterschiedliche bioinformatische Anwendungen von DP Algorithmen auf biologische Daten. In einem ersten Kapitel (Kapitel 5) werden Grundsätze biologischer Daten und Algorithmen vorgestellt, die dann in den weiteren Kapiteln benutzt werden