用 TikZ 绘图 · Topos Uranos

摘要

本课讲授如何用 TikZ 在文档内部绘图。它说明在 LaTeX 中绘图能得到什么（正文的字体与公式、无损缩放、在源代码中修改、版本控制）、要付出什么代价，以及什么时候更适合从 R 或 Python 导出图表；它说明，在 babel 模块会把某些符号变成活动简写的语言中（例如西班牙语），TikZ 需要它自己的 babel 库，否则第一个箭头就会引发一连串错误；它介绍 tikzpicture 环境和 \tikz 命令、直角坐标、极坐标和相对坐标，以及路径（线段、矩形、圆、圆弧和曲线）；它逐一讲解线条选项和 arrows.meta 库的箭头；它讲授节点：有名称的节点、锚点，以及用 positioning 库相对放置的节点；它用自定义样式固定记法；它用 \foreach 处理重复；它绘制流程图、受力图、概念树、句法树和函数图像，并提醒 plot 以度为单位计算角度；它介绍用于数据图的 pgfplots；它把图放进浮动体，并比较三种缩放方式；最后讲常见错误、编译时间和应当避免的做法。

学习目标

能够有理有据地判断一幅图应当用 TikZ 绘制、用 pgfplots 绘制，还是从数据分析程序中导出。
能够为使用 TikZ 的文档准备导言区，并说明何时以及为何需要 babel 库。
能够用绝对坐标、极坐标和相对坐标绘图，并预测一串带 + 和 ++ 的坐标所画出的路径。
能够用有名称的节点、positioning 库和只定义一次的自定义样式组合出示意图。
能够把图放进带图题和标签的浮动体，在缩放时预见文字会如何变化，并根据日志诊断常见错误。

为什么要在 LaTeX 中绘图

前面几课插入的是在文档之外制作的图片。用 TikZ 画的图则不同：它以命令的形式写在源代码里，由引擎像排版正文一样排版。由此带来四个好处。第一是排版的统一：图中标注使用与正文相同的字体和字号，标注里的公式与讨论它的段落中的公式完全一致。第二是无损缩放：结果是矢量图，放大时不会出现像素。第三是图在源代码中修改：改一个标注或移动一个点，只是改一行，不必回到绘图软件，也不必寻找原始文件。第四是图与正文一起进行版本控制，因为它本身就是文本：它与正文在同一个文件、同一份备份、同一段修改历史中。

不过，这些好处是有代价的。TikZ 是一门有自己语法的语言，手册超过一千页；在绘图软件中用鼠标一分钟就能画好的图，在这里第一次可能要花半个小时。因此需要区分情况。示意图、框图和几何图形由少量带标注的形状组成，是 TikZ 的天然领地。数据图则更适合用 pgfplots 来画（它建立在 TikZ 之上，在本课末尾介绍）；如果数据是在 R 或 Python 中分析的，就用分析数据的同一个程序来画：图表导出为 PDF，按照讲图片的那一课插入，从而与产生它的数据和分析保持联系。这两种语言还都能把图表写成供 LaTeX 使用的代码（R 中的 tikzDevice 宏包，Python 中 matplotlib 的 PGF 输出），使标注采用文档的字体。