LaTeX 入门系列之一：基础知识

本系列旨在详细介绍 LaTeX 的使用，主要内容参考自著名的 「The Not So Short A Introduction to LaTeX」（Version 6.3）。LaTeX 是一种排版系统，非常适用于生成高印刷质量的科技和数学类文档，其使用 TeX 作为格式化引擎。本介绍将分为以下几部分：

• 第一章介绍 LaTeX 文档的基本结构，包括一点 LaTeX 的发展史
• 第二章介绍排版文档的细节，包括大部分基本的 LaTeX 命令和环境
• 第三章解释如何使用 LaTeX 排版公式
• 第四章解释索引、参考文献生成以及关于创建 PDF 的要点
• 第五章介绍如何使用 LaTeX 创建图形
• 第六章介绍如何对 LaTeX 产生的标准文档格式进行自定义

1.1 LaTeX 发展简史

TeX 是由 Donald E. Knuth 创造的一种计算机程序，其目标是对文本和数学公式进行排版。我们今天使用的 TeX 于 1982 年发布，并在 1989 年进行了一些改进以支持 8 字节字符和多语言。TeX 的特点是非常的稳定，可以运行于不同种类的计算机上，并且几乎没有 bug。TeX 的版本号收敛于 ，现在为 3.141592653。TeX 的发音为 “Tech”，在 ASCII 环境下写作 「TeX」（即本文中的形式）。

LaTeX 通过一个预先定义好的专业页面设置，来帮助作者以较高的印刷质量排版并打印其工作。LaTeX 由 Leslie Lamport 编写，使用 TeX 作为其排版引擎。LaTeX 的发音为 “Lay-tech” 或 “Lah-tech”，在 ASCII 环境下写作 「LaTeX」。本文介绍的是整合了不同补丁的 LaTeX 2e 版本，发音为 ”Lay-tech two e“，写作 「LaTeX2e」。

1.2 LaTeX 概览

1.2.1 LaTeX 的作用

我们可以通过图书出版的过程来介绍 LaTeX 与 TeX 的作用。为了出版其作品，「作者」需要将手稿提交给一家出版公司，公司的一位「图书设计者」需要决定该文章的版式，例如栏宽、字体、缩进等。图书设计者需要在手稿中加入其说明，然后将添加完版式说明的手稿交给一位「排版者」，由他根据排版说明对文章进行实际的排版。

在 LaTeX 环境中，LaTeX 扮演了图书设计者的角色，TeX 则扮演了排版者的角色。不过 LaTeX 只是一个程序，并不能独立地决定文章的排版，因此作者需要提供更多的信息来描述其作品的逻辑结构，以帮助 LaTeX 进行排版设计，这些信息以 「LaTeX 命令」 的形式写入文章之中。

上述方式与 MS Word 或 LibreOffice 等现代化文字处理器中的「所见即所得」（WYSIWYG）方式存在着较大区别。在这些应用中，作者可以在向计算机输入文本的同时，交互式地指定文档的版式，并立即看到最终的排版效果。而使用 LaTeX 时，通常不能够在输入文本时看到最终的输出，需要基于 LaTeX 进行编译后才能预览输出效果。

1.2.2 优势与劣势

与普通文字处理器相比，LaTeX 具有如下「优势」：

• 可以生成更加专业的版式（注重可读性与可理解性）
• 数学公式的排版更加方便
• 用户可以通过简单易懂的命令指定文档的逻辑结构，而（几乎）不用接触实际的版式
• 可以轻松生成复杂的结构，例如脚注、参考文献、目录等
• 免费提供的大量第三方插件，用于各种各样的排印任务
• 鼓励作者去撰写结构化的文本（以迎合 LaTeX 的工作原理）
• LaTeX 的核心 TeX 几乎可以在任何硬件平台上运行

当然，LaTeX 也存在一些「劣势」，例如：

• 设计一个全新的版式比较困难且耗时（在已有版式上微调比较方便）
• 上手有一定难度（初始学习曲线较高）
• 很难撰写无结构的与未组织的文档

1.3 LaTeX 源文件

LaTeX 的输入是一个纯文本文件，其包括文档的内容本身，以及用于指导 LaTeX 排版的相关命令。下面将介绍 LaTeX 源文件中的几个重要元素。

1.3.1 空白字符

在 LaTeX 中，将空格键（blank）和制表符（tab）等空白字符视作相同的「空白」（space）。「多个连续的空白字符」等同于一个空白字符。每行开始的空白字符将被忽略，而单个换行符（回车）也将被视为空白距离。为了区分段落，LaTeX 使用一个「空行」来结束当前段落，如下图所示。注意多个空行会被视为一个空行。

1.3.2 特殊字符

下面这些字符是 LaTeX 的保留字符，它们或在 LaTeX 中有着特殊的意义，或不一定包含在所有的字库中。如果直接在文本中使用这些字符，其不会出现在排版结果中，还可能导致 LaTeX 做一些你不希望发生的事情。

# $ % ^ & _ { } ~ \

我们可以通过添加「反斜线」来使上述字符在文本中出现。

注意反斜杠符号本身不能通过添加反斜线得到，需要通过 \textbackslash 命令得到，而 \\ 在 LaTeX 中表示「换行」（另起一行，与划分段落有区别）。其他的一些符号可以通过数学公式中的特殊命令或重音符号（如 \u{o}）得到。

1.3.3 LaTeX 命令

LaTeX 命令是「大小写敏感」的，并且有如下两种格式：

• 以一个反斜线 \ 开始，接一个只包含「字母」的命令名。命令名后的任何非字母字符标志着该命令的结束
• 由一个反斜线和「一个」非字母字符组成

注意：很多命令存在「星号」变种，即在命令名后添加一个星号，使该命令起到与原命令不同的作用。

LaTeX 会忽略所有命令后面的空白字符，如果我们需要在命令后面添加一个空白，则需要使用一个空的大括号 {} 加一个空格，或是一个特殊的空白距离命令，如下图所示：

有些命令需要设置参数，通过在命令名后添加大括号 {} 实现，而有些命令则可以设置可选参数，通过在命令名后添加方括号 [] 来实现：

\command[optional parameter]{parameter}

1.3.4 注释

当 LaTeX 在处理源文件时，如果遇到一个「百分号」字符 %，则会忽略当前行该字符之后的文本、分行符以及所有下一行开始的空白字符（默认换行会转化为一个空白）。我们可以利用该符号为文档添加注释，其不会出现在排版后的文档中。% 符号也可以用来分割较长的输入文本，该文本不允许有换行或空白。

对于较长的注释，可以使用 verbatim 包所提供的 comment 环境，通过在文档的序言部分添加命令 \usepackage{verbatim} 实现。注意该命令在数学公式等复杂环境中不可用。

1.3.5 源文件结构

当 LaTeX 处理一个源文件时，其期望去遵循一个特定的结构，因此每个源文件都需要通过命令指定其类型：

\documentclass{...}

该命令定义了所写文档的「类别」。之后我们可以继续添加改变文档样式的命令，或是载入包含新特性的宏包。载入宏包的命令为：

\usepackage{...}

当所有的设置工作完成后，我们可以通过如下命令开始输入正文：

\begin{document}

在 \documentclass 和 \begin{document} 之间的部分也被称为「序言」（preamble）。现在我们可以输入正文，并混合相关的 LaTeX 指令。在文档的最后，我们添加如下指令：

\end{document}

来结束当前文档。该命令之后的内容将被忽略。下图给出了一个期刊论文的 LaTeX 源文件：

1.4 一个典型的命令行过程

本节将介绍在基于文本的系统下使用 LaTeX 处理源文件的过程。

1. 创建 LaTeX 源文件。文件需要为 ASCII 编码（对于原始 LaTeX 来说），后缀名为 .tex。
2. 打开命令行，cd 到源文件所在文件夹，执行如下命令来启动 LaTeX（这里选择的是 XeLaTeX 引擎），编译成功后会生成一个 pdf 文件（目录和引用可能需要多次编译）：

xelatex foo.tex

1.5 文档布局

本节将详细介绍 LaTeX 源文件中的各部分内容。

1.5.1 文档类型

当处理一个源文件时，LaTeX 需要了解的首个信息就是文档的「类型」，通过 \documentclass 命令来指定：

\documentclass[options]{class}

其中 class 参数指定文档的类型，下表列出了本文所涉及的文档类型：

除此之外，LaTeX 2e 还提供了其他的文档类型，例如信件。option 参数可以用于定制特定文档类型的版式，多个选项需要用逗号隔开，下表列出了标准文档类最常用的一些选项：

下面给出一个指定源文件文档类型的实例：

\documentclass[11pt,twoside,a4paper]{article}

上述命令指定 LaTeX 用将文档排版为「文章」类型，字体大小为 「11」 磅，排版为适合在 「A4」 纸上「双面」打印的排版。

1.5.2 宏包

当我们在排版文档时，可能会发现有时候基本的 LaTeX 不能解决一些问题，例如插入图片、彩色文字或是源代码。这时我们需要通过「宏包」（package）来增强 LaTeX 的能力，调用宏包通过如下命令实现：

\usepackage[options]{package}

其中 package 为宏包名，options 为触发宏包的特殊功能的关键词列表。该命令应该放置于文档的序言中。LaTeX 2e 的基本发行版本中预装了大量的宏包。我们也可以手动安装宏包甚至自定义宏包。

1.5.3 页面风格

LaTeX 支持三种预定义的页眉/页脚组合，称之为「页面风格」，通过如下命令定义：

\pagestyle{style}

style 参数指定使用哪种页面风格，下表列举出了不同风格的具体区别。

我们也可以通过如下命令来仅改变当前页面的风格：

\thispagestyle{style}

此外，我们也可以自定义页眉和页脚，此处不作赘述。

1.6 各类 LaTeX 文件

在排版文档时，除了源文件外，我们还可能遇到各种具有不同的扩展名的文件。下表列出了部分使用 LaTeX 时可能会遇到的扩展名：

下面这些文件则会在执行 LaTeX 编译后生成：

1.7 大型项目

当处理大型文档时，我们可能需要把源文件分成多个部分。LaTeX 提供了几条命令来帮助你做到这一点：

\include{filename}

在「正文」部分使用该命令可以插入另一个名为 filename.tex 的文件中的内容，注意 LaTeX 会另起一页来插入内容。

第二条命令可以在「序言」中使用，可以告诉 LaTeX 只读入某些特定的文件：

\includeonly{filename,filename,…}

执行完该条命令后，在所有的 \include 命令中，只有 \includeonly 中列出的文件才会被执行。因为 \include 命令引入的文件会另起一页，所以去除某些引入不会对整体排版产生影响。

有时我们可能不想另起一页，这时可以使用下述命令：

\input{filename}

该命令只是简单地将指定文件包括进来，并没有其他限制。

另一方面，我们可以使用 syntonly 宏包来快速检查文档，该命令只会检查文档中命令的语法和使用，不会生成任何文件，速度很快，能够节省完整编译所需要的大量时间。使用方法如下：

\usepackage{syntonly}
\syntaxonly

想生成文件的话只需要把第二行注释掉即可。