高校Matlab教學中字符串的巧妙編程應用

何江蕓

摘 要：文章利用matlab強大編程能力實現了對字符串的巧妙編程應用。主要利用其查找與替代功能中的字符串與數值間的巧妙變換，實驗表明，字符串的編程可以進行有關統計計算，揭示字符串序列的統計性質，為后續數學建模提供前期幫助。

關鍵詞：matlab教學；字符串；編程應用；matlab仿真

中圖分類號：G421 文獻標識碼：A 文章編號：2096-000X（2017）20-0113-03

Abstract： This paper realizes the skillful programming application of string by employing matlab's excellent programming. The major function used in this process is the ingenious transformation between the string and the numerical value in its searching and substitution. The result shows that string programming can do statistical calculations， reveal statistical properties of string sequences， and provide help for the subsequent mathematical modeling.

Keywords： matlab teaching； string； programming application； matlab simulation

matlab是由美國MathWorks公司開發的一款商業軟件，起初是為實現數學計算而設計的。20世紀70年代，美國新墨西哥大學計算機科學系主任Cleve Moler為了減輕學生編程負擔，用FORTRAN編寫了最早的matlab。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把matlab推向市場。到20世紀90年代，matlab已成為國際控制界的標準計算軟件[1-5]。

matlab軟件優勢主要體現在編程環境、簡單易用、強處理能力、圖形處理、模塊集合工具箱、程序接口和發布平臺、應用軟件開發等方面。目前已應用到數值分析、數值和符號計算、工程與科學繪圖、控制系統的設計與仿真、數字圖像處理技術、數字信號處理技術、通訊系統設計與仿真、財務與金融工程、管理與調度優化計算（運籌學）等領域。

新版的matlab自1984年推向市場以來，歷經十多年的發展和競爭，現已成為國際認可的最優化的科技應用軟件。與其他高級語言相比，matlab提供了一個人機交互的數學系統環境，可以大大節省編程時間。matlab語法規則簡單、容易掌握、調試方便，具有高效、簡單和直觀的特性。使用者只需輸入一條命令而不用編制大量的程序即可解決許多數字問題，正是由于matlab的強大功能，受到國內外專家學者的歡迎和重視，他已成為許多大學生的重要研究與學習工具[6-11]。

本文利用matlab強大編程能力實現了對字符串的巧妙編程應用。主要利用其查找與替代功能中的字符串與數值間的巧妙變換，實驗表明，字符串的編程可以進行有關統計計算，揭示字符串序列的統計性質，為后續數學建模提供前期幫助。

一、matlab字符串的查找與替換運算

matlab字符串操作屬于符號計算的內容，雖然是符號，但其蘊含了豐富的內容。字符串可以進行查找與替換，當杳找到某字符串時，可以進行比較與判定，同時字符串可以轉化為數值，數值也可以轉化為字符串。這就將符號計算與數值計算結合了起來，特別地，當某些序列是由符號表示時，為了探討這些符號序列的意義，我們需要將其轉化為可以理解的數值向量，以些數值向量來發現其所具有的統計及數學性質。

（一）strrep函數

strrep函數是一個字符串查找與替換函數，strrep函數的使用語法是：

modifiedstr = strrep（origstr，oldsubstr，newsubstr）

其中：

strrep——字符串替換函數；

origstr——原始字符串；

oldsubstr——原始字符串需要替換的字符串；

newsubstr——替換掉原始字符串中的新的字符串。

例如：

claim = 'This is a good example'；

new_claim = strrep（claim， 'good'， 'great'）

new_claim =

This is a great example.

可見，strrep函數將claim字串中的“good”替換成了“ great”。

（二）str2num函數

str2num函數將字符串轉化為數值串，str2num函數的使用語法是：

x = str2num（S）

其中：

S——字串或字串矩陣。

字符串矩陣S中的數字應該是ASCII字符。每個數字可以包含數字，小數點等。如果字符串S不表示有效的數字或矩陣，str2num（）將返回空矩陣。

例如：S = ['1 2' ；'3 4']

str2num（S）將返回：

S =

1 2

3 4

即將一個二行二列的字符矩陣轉化為了一個二行二列的數值矩陣。

二、字串巧妙編程的Malab仿真實驗

GenBank是美國國家生物技術信息中心（National Center for Biotechnology Information，NCBI）建立的DNA序列數據庫[12]。存有海量的動植物DNA數據，為人類進行大數據挖掘提供了豐富的寶藏，大量未知的動植物生命之謎等待人類去探索。從GenBank數據庫中下載植物馬利妮維雅葉綠體的DNA序列（NC_022431.1 Asclepias nivea chloroplast）。

這樣就可以進行矩陣運算。利用matlab繪圖功能，實現DNA圖譜的分布。其matlab程序如下：

figure（1）；

plot（1：80，mystring1（1，：），1：80，mystring1（1，：），‘d）；

xlabel（‘序列長度），ylabel（‘基因分布）；

figure（2）；

plot（1：80，mystring1（2，：），1：80，mystring1（1，：），‘d）；

xlabel（‘序列長度），ylabel（‘基因分布）；

figure（3）；

plot（1：80，mystring1（3，：），1：80，mystring1（1，：），‘d）；xlabel（‘序列長度），ylabel（‘基因分布）；

figure（4）；

plot（1：80，mystring1（4，：），1：80，mystring1（1，：），‘d）；

xlabel（‘序列長度），ylabel（‘基因分布）：

這樣，就可以得到四條序列的基因分布圖，如下：

可見，這就將只是字符串的DNA序列變為了用數值描述的DNA圖譜。利用該圖譜，我們可以進行后續的數學建模計算，為研究基于統計分布的數學建模提供非常重要的前期基礎。

上述matlab編程的巧妙在于：用strrep函數實現了字符的比對計算，若字母為A（腺嘌呤）則用數字字符“1”表示：strrep（mystring1（i，：），'A'，' 1'）；若字母為T（胸腺嘧啶）則用數字字符“2”表示：strrep（mystring1（i，：），'T'，' 2'）；若字母為G（鳥嘌呤）則用數字字符“3”表示：strrep（mystring1（i，：），'G'，' 3'）；

若字母為C（胞嘧啶）則用數字字符“4”表示：strrep（mystring1（i，：），'C'，' 4'），每個數值用一個空格隔開，這樣防止數據緊合在一起。然后，再用str2num函數將這些“1”“2”“3”“4”字符轉化為真正的數值1、2、3、4，從而可以進行matlab匯圖仿真，得到四段基因序列的圖譜分布。

三、結束語

Matlab具有強大的計算功能，在高校教學中，字符串計算是其中一個重要方面，matlab的符號處理功能非常之多，本文利用其字符串的巧妙編程功能，主要利用其查找與替代功能中的字符串與數值間的函數變換對基因序列實現了數值仿真統計計算，仿真結果揭示了字符串序列的統計性質，描繪了DNA序列的圖譜分布，為后續數學建模提供了前期的理論探討，同時為符號計算提供了一種新的研究思路。

參考文獻：

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[12]美國國家生物技術信息中心GenBank數據庫.https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/.