x передається як параметр функції helper(). У самій memoise() локальної змінної з таким ім'ям нема, тому в print(locals()), викликаному з memoise, її не видно (хоча, якщо цей же рядок вставити у тіло helper(), ми побачимо там x).

Є хоч одна мова, де динамічні масиви поводяться по іншому? І для чого таке робити взагалі? Хочете матрицю — використайте numpy.

Тому що списки передаються в функції в Python за посиланням. Ваш код еквівалентний

mylist = []
def f(x,l=mylist):
...

і це саме очікувана поведінка. Хочете створювати новий список кожного разу - робіть

def f(x,l=None):
    if l==None:
        l=[]
    ...

це не працює:

def f(x,l=list()):
    for i in range(x):
        l.append(i*i)
    print(l) 
 
f(2)
f(3,[3,2,1])
f(3)

дає:

Python 2.7.10 (default, Jul 14 2015, 19:46:27)
[GCC 4.8.2] on linux
   
[0, 1]
[3, 2, 1, 0, 1, 4]
[0, 1, 0, 1, 4]
=> None
   

def f(*args, **kwargs):
    def inner_f(x,l=[]):
        for i in range(x):
            l.append(i*i)
        print(l) 
    inner_f(*args, **kwargs)

Ніби має працювати.
Або для сумісності із старішими версіями, можна так:

def f(*args):
    def inner_f(x,l=[]):
        for i in range(x):
            l.append(i*i)
        print(l) 
    inner_f(*args)

(чогось думав, **kwargs у python2 не підтримується. Де я таке вичитав?...)