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# 如何在 LaTeX 中使用 TikZ 绘制矢量图形

**作者：Cody Herring（2013年5月）**

### LaTeX 中的程序化图形：基础

传统上，图形以位图表示，其位深可以从 1 位（二值）到 24 位（真彩色）不等。这使得在传统（矩形）电脑屏幕上简单显示图形成为可能。然而，要生成能准确表示文档或纸上应显示内容的位图，可能既困难又繁琐。

程序化图形通过允许使用更明确、更易理解的系统（例如可缩放矢量图形，SVG）来帮助解决这一问题。通过定义向量、线条和形状，而不是单个像素，可以轻松生成适用于不同尺寸、长宽比、像素密度、打印质量等的图像。本教程将简要介绍使用可移植图形格式和 TikZ 的程序化图形：

* **可移植图形格式** （PGF）是一个基础工具集，可用于生成简单的图形和插图；
* **TikZ** 是 PGF 的扩展，它允许使用大量预先构建的图形。

关于 TikZ 和 PGF 的详尽文档可在 [PGF 手册](http://mirrors.ctan.org/graphics/pgf/base/doc/pgfmanual.pdf).

### 使用 PGF 和 TikZ

要使用 TikZ 宏包，必须先导入它：

```latex
\usepackage{tikz}
```

要绘制图片，必须使用 `tikzpicture` 环境：

```latex
\begin{tikzpicture}
命令写在这里
\end{tikzpicture}
```

### 基础绘图

TikZ 允许绘制许多不同的形状和路径。这里将展示一些基本绘图技术。这些技术可以组合起来形成更复杂的图形。

#### 直线路径

可以使用 `\draw` 命令，按照 X/Y（水平/垂直）坐标系，从一点绘制到另一点，如下所示：

```latex
\begin{tikzpicture}
\draw (5,0) -- (-5, 0);
\end{tikzpicture}
```

多个 `\draw` 调用也可以串联起来。这会在 X 方向从 -5 到 +5、Y 方向从 -2 到 +2 绘制一组坐标轴。

```latex
\begin{tikzpicture}
\draw   (5,0) -- (-5, 0)
        (0,2) -- (0,-2);
\end{tikzpicture}
```

![TikZFigure 1.png](/files/c47118ac24f28e4c1cb7524c3d456750e9bc0fcd)

通过添加额外参数，可以将样式应用到这些线条上。下面是同一图示，但使用了绿色、虚线、超粗线条，并逆时针旋转 15 度：

```latex
\begin{tikzpicture}
\draw[green, dotted, ultra thick, rotate=15]
        (5,0) -- (-5, 0)
        (0,2) -- (0,-2);
\end{tikzpicture}
```

![TiKZFigure 2.png](/files/4b3245d3fa11ff5584d6548d499a88e210f4c279)

#### 改变图示的大小

有时图示的默认大小过大或过小。使用 `scale` 参数在声明 `tikzpicture` 环境时，可以在保持相同比例的同时使用不同大小：

```latex
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw   (5,0) -- (-5, 0)
        (0,2) -- (0,-2);
\end{tikzpicture}
```

下图展示了应用 `[scale=0.3]`:

![TiKZFigure 3.png](/files/e4491854cdaad288e40858c9124751da419dfec2)

#### 添加箭头

箭头对于图表和示意图很有用，而且在 TikZ 图中加入它们很简单。前面演示过的样式都可以使用，也可以使用几种不同的箭头样式。

```latex
\begin{tikzpicture}
\draw[->](0,0) -- (5,0);
\end{tikzpicture}

\begin{tikzpicture}
\draw[<<->>](0,0) -- (5,0);
\end{tikzpicture}

\begin{tikzpicture}
\draw[<<->>, ultra thick, blue](0,0) -- (5,0);
\end{tikzpicture}

\begin{tikzpicture}
\draw[|->>, thick, red](0,0) -- (5,0);
\end{tikzpicture}
```

![TiKZFigure 4.png](/files/910ed770d5cc84eb0d507f2683991199d556a09f)

### 绘制曲线

使用 TikZ 绘制曲线最简单的方法，是指定起点和终点，以及从起点离开和到达终点时所需的角度。

```latex
\begin{tikzpicture}
\draw[ultra thick]
(0,0) to [out=75,in=135](3,4);
\end{tikzpicture}
```

![TiKZFigure 5.png](/files/1a62b6b9f3b20dfc16b60a6b9734037d143636db)

也可以使用链式调用创建复杂得多的图示。PGF 会尝试根据所提供的方向绘制尽可能平滑的线条。

```latex
\begin{tikzpicture}
\draw[ultra thick]
(0,0)
to [out=90,in=180] (2,2)
to [out=270,in=0](0,0)
to [out=0,in=90](2,-2)
to [out=180,in=270](0,0)
to [out=270,in=0](-2,-2)
to [out=90,in=180](0,0)
to [out=180,in=270](-2,2)
to [out=0,in=90](0,0);
\end{tikzpicture}
```

![TIkZFigure 6.png](/files/1f9629b4ce53afa9e166a957cb36700b2e28982b)

### 结论

使用矢量图形可以绘制的内容没有尽头，而它们在支持可缩放、易编辑的图示和图片方面的价值，对寻找简单方式使用图形的 LaTeX 用户来说是一大福音。这篇文章只是触及了可能性的表面，但应当是了解矢量图形以及 TikZ/PGF 环境能力的一个不错入门。

其他资源：

* [TikZ 的最简入门](http://cremeronline.com/LaTeX/minimaltikz.pdf);
* [TikZ 与 PGF 的 CTAN 文档](http://mirrors.ctan.org/graphics/pgf/base/doc/pgfmanual.pdf);
* [Overleaf 学习 Wiki 页面](/latex/zh-cn/tu-xing-he-biao-ge/05-tikz-package.md).


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