7. 绘图功能 #

除了排版文字，LaTeX 也支持用代码表示图形。不同的扩展已经极大丰富了 LaTeX 的图形功能，TikZ 就是其中之一。本章将带你了解一些基本的绘图功能。

一些特殊的绘图，如交换图、树状图甚至分子式和电路图也能够通过代码绘制，不过其复杂程度已经超出本手册的范围，有兴趣的读者可以查阅一些帮助文档，或者在互联网寻求帮助。

7.1 绘图语言简介 #

LaTeX 提供了原始的 picture 环境，能够绘制一些基本的图形如点、线、矩形、圆、Bezier曲线等等，不过受制于 LaTeX 本身，它的绘图功能极为有限，效果也不够美观。

当前较为流行的、用于 LaTeX 的绘图宏包 / 程序主要有：

PSTricks 以 PostSciprt 语法为基础的绘图宏包，具有优秀的绘图能力。它对老式的 latex+dvips 编译命令支持最好，而现在的几种编译命令下使用起来都不够方便。
TikZ & pgf 德国的 Till Tantau 教授在开发著名的 LaTeX 幻灯片文档类 beamer 时一并开发了绘图宏包 pgf，目的是令其能够在 pdflatex 或 xelatex 等不同的编译命令下都能使用。 TikZ 是在 pgf 基础上封装的一个宏包，采用了类似 METAPOST 的语法，提供了方便的绘图命令，绘图能力部署 PSTricks。
METAPOST & Asymptote METAPOST 脱胎于高纳德为 TEX 配套开发的字体生成程序 METAFONT ，具有优秀的绘图能力，并能够调用 TEX 引擎向图片中插入文字和公式。Asymptote 在 METAPFONT 的基础上更进一步，具有一定的类似 C 语言的编程能力，支持三维图像的绘制。

它们作为独立的程序，通常的用法是将代码写在单独的文件里，编译生成图片供 LaTeX 引用，也可以借助特殊的宏包在 LaTeX 代码里直接使用。

本手册将介绍 TikZ 绘图宏包里最基础的部分。TikZ 还支持各种自定义的扩展，基于 TikZ 的专门用途的绘图宏包也不胜枚举，其复杂程度已远远超出入门手册的范围（TikZ 的帮助文档有上千页之厚）。对此感兴趣的读者需要自行查阅帮助文档，或者到互联网上参考现成的范例。

7.2 TikZ 绘图语言 #

在导言区调用 tikz 宏包，就可以用以下命令和环境使用 TikZ 的绘图功能了：

\tikz[_]<tikz code>
\tikz[_]{<tikz code 1>};<tikz code 2>;…}
\begin{tikzpicture}[…]
<tikz code 1>;
<tikz code 2>;
…
\end{tikzpicture}

前一种用法为 \tikz 带单条绘图命令，以分号结束，一般用于在文字之间插入简单的图形后两种用法较为常见，使用多条绘图命令，可以在 figure 等浮动体中使用。

7.2.1 TikZ 坐标和路径 #

TikZ 用直角坐标系或者极坐标系描述点点位置。

直角坐标下，点的位置写作（,），坐标和可以用 LaTeX 支持的任意单位表示，却省为 cm：
极坐标下，点的位置写作（<θ>:）。θ 为极角，单位是度。

我们还可以为某个点命名：\coordinate（A）at（）然后就可以使用（A）作为点的位置了。

\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) -- (30:1) ;
\draw (1,0) -- (2,1) ;
\coordinate (s) at (0,1) ;
\draw (s) -- (1,1) ;
\end{tikzpicture}

坐标的表示形式还包括 “垂足” 形式：

\begin{tikzpictuer}
\coordinate (S) at (2,2) ;
\draw[gray] (-1,2) -- (S) ;
\deaw[gray] (2,-1) -- (S) ;
\draw[red] (0,0) -- (0，0，-｜S) ;
\draw[bule] (0,0) -- (0,0 |- S)  ;
\end{tikzpicture}

TikZ 最基本的路径为两点之间连线，如（），（）–（，），可以连用表示多个连线（折线），连续使用连线时，可以使用 cycle 令路径回到起点，生成闭合的路径。

\begin{tilzpicture}
\draw (0,0) -- (1,1) -- (2,0) --cycle ;
\end{tikzpicture}

多条路径可用于同一条画图命令中，以空格分隔：

\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) -- (0,1)
             (1,0) -- (1,1）-- (2,0) --cycle；
\end{tikzpicture}

其它常用的路径还包括：

矩形、圆和椭圆：

\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) rectangle (1,5,1) ;
\draw (2,5,0,5) circle [radius=0.5] ;
\draw (4,5,0,5) ellipse
    [x radius=1,y radius=0.5] ;
\end{tikzpicture}

直角、圆弧、椭圆弧：

\begin{tikzpictrue} \draw (0,0) |-(1,1) ; \draw (1,0) -| (2,1) ; \draw (4,0) arc (0:135:1) ; \draw (6,0) arc (0:1351: and 0.5) ; \end{kizepicture}

正弦、余弦曲线（1/4周期）:

\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) |- (1,1) ;
\draw (1,0) -| (2,1) ;
\draw (4,0) arc (0:135:1) ;
\draw (6,0) arc (0:135:1 and 0.5)
\end{tikzpicture}

抛物线，用 bend 控制顶点：

\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) parabola (1,2) ;
\draw (2,0) parabola
    bend (2.25,-0.25)  (3,2) ;
\draw (4,0) parabola
    bend (4.75, 2.25) (5,2) ;
\end{tikzpicture}

二次和三次 Bezier 曲线，分别使用一个和两个控制点：

\begin{tikzpicture}
\draw (0,0)  .. controls
    (2,1) and (3,1)  .. (3,0) ;
\draw (4,0) .. controls
    (5,1)  .. (5,0) ;
\draw[help lines] (0,0)
    -- (2,1) -- (3,1) -- (3,0)
    (4,0) -- (5,1) -- (5,0) ;
\end{tikzpicture}

网格、函数图像，网络可用 step 参数控制网格大小，函数图像用 domain 参数控制定义域：

\begin{tikzpicture}
\draw[help lines,step=0.5]
            (-1,-1) grid (1,1)；
\draw[->] (-1.5,0) -- (1.5,0) ;
\draw[->] (0,-1.5) -- (0,1,5) ;
\draw[domain=-1:1]
            plot（\x,{\x*\x*2 -1}）；
\end{tikzpicture}