$\LaTeX{}$ 的基本概念（一）

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本文主体内容来自一份 (不太) 简短的 LATEX2ε 介绍。

欢迎使用 \(\LaTeX{}\)！本文开头介绍了\(\LaTeX{}\)的来源，然后介绍了\(\LaTeX{}\)源代码的写法，编译\(\LaTeX{}\)源代码生成文档的方法，以及理解接下来的章节的一些必要知识。

概述

\(\TeX\)

\(\TeX{}\) 是高德纳 (Donald E.~Knuth) 为排版文字和数学公式而开发的软件。1977 年，正在编写《计算机程序设计艺术》的高德纳意识到每况愈下的排版质量将影响其著作的发行，为扭转这种状况，他着手开发 \(\TeX{}\)，发掘当时刚刚用于出版工业的数字印刷设备的潜力。1982 年，高德纳发布 \(\TeX{}\) 排版引擎，而后在 1989 年又为更好地支持 8-bit 字符和多语言排版而予以改进。\(\TeX{}\) 以其卓越的稳定性、跨平台能力和几乎没有 bug 的特性而著称。它的版本号不断趋近于 \(\pi\)，当前为 3.141592653。

\(\LaTeX{}\)

\(\LaTeX{}\) 是一种使用 \(\TeX{}\) 程序作为排版引擎的格式，可以粗略地将它理解成是对 \(\TeX{}\) 的一层封装。 \(\LaTeX{}\) 最初的设计目标是分离内容与格式，以便作者能够专注于内容创作而非版式设计，并能以此得到高质量排版的作品。\(\LaTeX{}\) 起初由 Leslie Lamport 博士开发，目前由 \(\LaTeX{}\) 工作组1进行维护。

\(\LaTeX{}\) 的优缺点

\(\LaTeX{}\) 的一些优点：

  • 具有专业的排版输出能力，产生的文档看上去就像“印刷品”一样。
  • 具有方便而强大的数学公式排版能力，无出其右者。
  • 绝大多数时候，用户只需专注于一些组织文档结构的基础命令，无需（或很少）操心文档的版面设计。
  • 很容易生成复杂的专业排版元素，如脚注、交叉引用、参考文献、目录等。
  • 强大的可扩展性。世界各地的人开发了数以千计的 \(\LaTeX{}\) 宏包用于补充和扩展 \(\LaTeX{}\) 的功能。
  • 能够促使用户写出结构良好的文档——而这也是 \(\LaTeX{}\) 存在的初衷。
  • \(\LaTeX{}\) 和 \(\TeX{}\) 及相关软件是跨平台、免费、开源的。

\(\LaTeX{}\) 的缺点：

  • 入门门槛高。
  • 不容易排查错误。\(\LaTeX{}\) 作为一个依靠编写代码工作的排版工具，其使用的宏语言比 C++ 或 Python 等语言在错误排查方面困难得多。它虽然能够提示错误，但不提供调试的机制，有时错误提示还很难理解。
  • 不容易定制样式。\(\LaTeX{}\) 提供了一个基本上良好的样式，为了让用户不去关注样式而专注于文档结构。但如果想要改进 \(\LaTeX{}\) 生成的文档样式则是十分困难的。
  • 相比“所见即所得”的模式有一些不便，为了查看生成文档的效果，用户总要不停地编译。

Hello, World

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\documentclass{article}
\begin{document}
``Hello world!'' from \LaTeX.
\end{document}

这里首先介绍如何编译使用这份源代码，在后续小节中再介绍源代码的细节。你可以将这份源代码保存为helloworld.tex，而后编译。具体来说:

  • 如果使用TeXworks 或TeXstudio 等编辑器，可以使用编辑器提供的“编译”或“排版”按钮。建议使用 pdfLaTeX 或 XeLaTeX 作为默认的编译方式。

  • 如果使用命令行方式进行编译，打开终端，在源代码所在的目录下输入：

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    pdflatex helloworld

    或者

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    xelatex helloworld

    如果编译成功，可以在helloworld.tex 所在目录看到生成的helloworld.pdf 以及一些其它文件。

下面是排版中文的一个最简示例。编译的方式与上一份源代码相同，但需使用 XeLaTeX编译方式。

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\documentclass{ctexart}
\begin{document}
“你好，世界！”来自\LaTeX{} 的问候。
\end{document}

\(\LaTeX{}\) 命令和代码结构

\(\LaTeX{}\) 的源代码为文本文件。这些文本除了文字本身，还包括各种命令，用在排版公式、划分文档结构、控制样式等等不同的地方。

\(\LaTeX{}\) 命令和环境

\(\LaTeX{}\) 中命令以反斜线 \ 开头，为以下两种形式之一：

  • 反斜线和后面的一串字母，如 \{LaTeX}。它们以任意非字母符号（空格、数字、标点等）为界限。

  • 反斜线和后面的单个非字母符号，如 \$。

注意 \(\LaTeX{}\) 命令对大小写敏感，比如输入 \{LaTeX} 命令可生成错落有致的 \(\LaTeX{}\) 字母组合，但输入 \{Latex} 或 \{LaTex} 什么都得不到，还会报错。

字母形式的 \(\LaTeX{}\) 命令忽略其后的所有连续空格。如果要人为引入空格，需要在命令后面加一对花括号阻止其忽略空格: image-20250113150429995

一些 \(\LaTeX{}\) 命令可以接收一些参数，参数的内容会影响命令的效果。\(\LaTeX{}\) 的参数分为可选参数和必选参数。可选参数以方括号 [ 和 ] 包裹；必选参数一般以花括号 { 和 } 包裹2。还有些命令可以带一个星号 *，带星号和不带星号的命令效果有一定差异。初次接触这些概念时，可以粗略地把星号看作一种特殊的可选参数。

\(\LaTeX{}\) 中还包括环境，用以令一些效果在局部生效，或是生成特殊的文档元素。\(\LaTeX{}\) 环境的用法为一对命令 \begin 和 \end：

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\begin{<environment name>}[<optional arguments>]{<mandatory arguments>}
...
\end{<environment name>}

有些命令（如 \bfseries）会对其后所有内容产生作用。若要限制其作用范围，则需要使用分组。\(\LaTeX{}\) 使用一对花括号{ } 作为分组，在分组中使用的命令被限制在分组内，不会影响到分组外的内容3。上文提到的 \(\LaTeX{}\) 环境隐含了一个分组，在环境中的命令被包裹在分组内。

\(\LaTeX{}\) 源代码结构

\(\LaTeX{}\) 源代码以一个 \{documentclass} 命令作为开头，它指定了文档使用的文档类。document 环境当中的内容是文档正文。 在 \documentclass 和 \begin{document} 之间的位置称为导言区。 在导言区中常会使用 \usepackage{} 命令调用宏包，还会进行文档的全局设置。

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\documentclass{...}  % ... 为某文档类
% 导言区
\usepackage{comment}
\begin{document}
% 正文内容
\end{document}
% 此后内容会被忽略

\(\LaTeX{}\) 宏包和文档类

文档类

文档类规定了 \(\LaTeX{}\) 源代码所要生成的文档的性质——普通文章、书籍、演示文稿、个人简历等。\(\LaTeX{}\) 源代码的开头须用\documentclass指定文档类： \documentclass[<options>]{<class-name>} 其中<class-name>为文档类的名称，如 \(\LaTeX{}\) 提供的 article、report、book，在其基础上派生的一些文档类，如支持中文排版的 ctexart、ctexrep、ctexbook，或者有其它功能的文档类，如 moderncv、beamer 等。\(\LaTeX{}\) 提供的基础文档类见下表，其中前三个习惯上称为“标准文档类”。

文档类 说明
article 文章格式的文档类，广泛用于科技论文、报告、说明文档等。
report 长篇报告格式的文档类，具有章节结构，用于综述、长篇论文、简单的书籍等。
book 书籍文档类，包含章节结构和前言、正文、后记等结构。
proc 基于article 文档类的一个简单的学术文档模板。
slides 幻灯格式的文档类，使用无衬线字体。
minimal 一个极其精简的文档类，只设定了纸张大小和基本字号，用作代码测试的最小工作示例。

可选参数 <options> 为文档类指定选项，以全局地规定一些排版的参数，如字号、纸张大小、单双面等等。比如调用 article 文档类排版文章，指定纸张为 A4 大小，基本字号为 11pt，双面排版： \documentclass[11pt,twoside,a4paper]{article}

\(\LaTeX{}\) 的三个标准文档类可指定的选项包括：

options 含义
\(\texttt{10pt, 11pt, 12pt}\) 指定文档的基本字号。默认为 \(\texttt{10pt}\)。
\(\texttt{a4paper,letterpaper,...}\) 指定纸张大小，默认为美式信纸（\(8.5\,\text{in}\times11\,\text{in}\)大约相当于 \(21.6\,\text{cm}\times28.0\,\text{cm}\)）。可指定选项还包括 \(\texttt{a5paper}\)，\(\texttt{b5paper}\)，\(\texttt{executivepaper}\) 和 \(\texttt{legalpaper}\)。
\(\texttt{twoside, oneside}\) 指定单面/双面排版。双面排版时，奇偶页的页眉页脚、页边距不同。article 和 report 默认为 \(\texttt{oneside}\)，book 默认为 \(\texttt{twoside}\)。
\(\texttt{onecolumn, twocolumn}\) 指定单栏/双栏排版。默认为 \(\texttt{onecolumn}\)。
\(\texttt{openright, openany}\) 指定新的一章 chapter 是在奇数页（右侧）开始，还是直接紧跟着上一页开始。report 默认为 \(\texttt{openany}\)，book 默认为 \(\texttt{openright}\)。对 article 无效。
\(\texttt{landscape}\) 指定横向排版。默认为纵向。
\(\texttt{titlepage, notitlepage}\) 指定标题命令 \maketitle 是否生成单独的标题页。article默认为 \(\texttt{notitlepage}\)，report 和 book 默认为 \(\texttt{titlepage}\)。
\(\texttt{fleqn}\) 令行间公式左对齐。默认为居中对齐。
\(\texttt{leqno}\) 将公式编号放在左边。默认为右边。
\(\texttt{draft, final}\) 指定草稿/终稿模式。草稿模式下，断行不良（溢出）的地方会在行尾添加一个黑色方块；插图、超链接等功能也会受这一组选项影响，具体见后文。默认为 \(\texttt{final}\)。

宏包

在使用 \(\LaTeX{}\) 时，时常需要依赖一些扩展来增强或补充 \(\LaTeX{}\) 的功能，比如排版复杂的表格、插入图片、增加颜色甚至超链接等等。这些扩展称为宏包。调用宏包的方法非常类似调用文档类的方法： \usepackage[<options>]{<package-name>}

\usepackage可以一次性调用多个宏包，在 <package-name> 中用逗号隔开。这种用法一般不要指定选项4。

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% 一次性调用三个排版表格常用的宏包
\usepackage{tabularx, makecell, multirow}

在使用宏包和文档类之前，一定要首先确认它们是否安装在你的计算机中，否则 \usepackage等命令会报错误。

宏包（包括前面所说的文档类）可能定义了许多命令和环境，或者修改了 \(\LaTeX{}\) 已有的命令和环境。它们的用法说明记在相应宏包和文档类的帮助文档。在 Windows 命令提示符或者 Linux 终端下输入命令可查阅相应文档：

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texdoc <pkg-name>

其中 <pkg-name}> 是宏包或者文档类的名称。

\(\LaTeX{}\) 用到的文件一览

除了源代码文件 \(\texttt{.tex}\) 以外，我们在使用 \(\LaTeX{}\) 时还可能接触到各种格式的文件。本节简单介绍一下经常见到的文件。

每个宏包和文档类都是带特定扩展名的文件，除此之外也有一些文件出现于 \(\LaTeX{}\) 模板中：

\(\texttt{.sty}\) 宏包文件。宏包的名称与文件名一致。
\(\texttt{.cls}\) 文档类文件。文档类名称与文件名一致。
\(\texttt{.bib}\) 参考文献数据库文件。
\(\texttt{.bst}\) 用到的参考文献格式模板。

在编译过程中可能会生成相当多的辅助文件和日志。一些功能如交叉引用、参考文献、目录、索引等，需要先通过编译生成辅助文件，然后再次编译时读入辅助文件得到正确的结果，所以复杂的源代码可能要编译多次。

中间文件 作用
\(\texttt{.log}\) 排版引擎生成的日志文件，供排查错误使用。
\(\texttt{.aux}\) 生成的主辅助文件，记录交叉引用、目录、参考文献的引用等。
\(\texttt{.toc}\) 生成的目录记录文件。
\(\texttt{.lof}\) 生成的图片目录记录文件。
\(\texttt{.lot}\) 生成的表格目录记录文件。
\(\texttt{.bbl}\) BibTeX生成的参考文献记录文件。
\(\texttt{.blg}\) BibTeX生成的日志文件。
\(\texttt{.idx}\) 生成的供 makeindex 处理的索引记录文件。
\(\texttt{.ind}\) makeindex 处理 \(\texttt{.idx}\) 生成的用于排版的格式化索引文件。
\(\texttt{.ilg}\) makeindex 生成的日志文件。
\(\texttt{.out}\) hyperref 宏包生成的 PDF 书签记录文件。

文件的组织方式

当编写长篇文档时，例如当编写书籍、毕业论文时，单个源文件会使修改、校对变得十分困难。将源文件分割成若干个文件，例如将每章内容单独写在一个文件中，会大大简化修改和校对的工作。 \(\LaTeX{}\) 提供了命令 \include 用来在源代码里插入文件：

\include{<filename>}

<filename> 为文件名（不带 \(\texttt{.tex}\) 扩展名）5，如果和要编译的主文件不在一个目录中，则要加上相对或绝对路径，例如：

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\include{chapters/file} % 相对路径
\include{/home/Bob/file} % *nix（包含 Linux、macOS）绝对路径
\include{D:/file} % Windows 绝对路径，用正斜线

值得注意的是 \include 在读入之前会另起一页。有的时候我们并不需要这样，而是用\input 命令，它纯粹是把文件里的内容插入：

\input{<filename>}

当导言区内容较多时，常常将其单独放置在一个 \(\texttt{.tex}\) 文件中，再用 \input 命令插入。复杂的图、表、代码等也会用类似的手段处理。

\(\LaTeX{}\) 还提供了一个 \includeonly 命令来组织文件，用于导言区，指定只载入某些文件。导言区使用了 \includeonly 后，正文中不在其列表范围的 \include 命令不会起效：

\includeonly{<filename1>,<filename2>,...}

需要注意的是，使用 \include 和 \input 命令载入的文件名最好不要加空格和特殊字符，也尽量避免使用中文名，否则很可能会出错。

最后介绍一个实用的工具宏包syntonly。加载这个宏包后，在导言区使用 \syntaxonly 命令，可令编译后不生成 DVI 或者 PDF 文档，只排查错误，编译速度会快不少：

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\usepackage{syntonly}
\syntaxonly

如果想生成文档，则用 % 注释掉 \syntaxonly 命令即可。

\(\LaTeX{}\) 和 \(\TeX{}\) 相关的术语和概念

在本章的最后有必要澄清几个概念：

  • 引擎 全称为排版引擎，是编译源代码并生成文档的程序，如 pdfTeX、XeTeX等 。有时也称为编译器(类似于GCC、MSVC的功能)。
  • 格式 是定义了一组命令的代码集（类似于库函数）。\(\LaTeX{}\) 就是最广泛应用的一个格式，高德纳本人还编写了一个简单的 plain TeX 格式，没有定义诸如 \documentclass 和 \section 等命令。
  • 编译命令 是实际调用的、结合了引擎和格式的命令。如 \(\texttt{xelatex}\) 命令是结合 XeTeX引擎和 \(\LaTeX{}\) 格式的一个编译命令（类似于编译并链接库函数的过程）。

常见的引擎、格式和编译命令的关系总结于下表。

文档格式 plain TeX 格式 LaTeX 格式
TeX 引擎 \(\textrm{DVI}\) \(\texttt{tex}\) N/A
pdfTeX 引擎 \(\textrm{DVI}\) \(\texttt{etex}\) \(\texttt{latex}\)
\(\textrm{PDF}\) \(\texttt{pdftex}\) \(\texttt{pdflatex}\)
XeTeX 引擎 \(\textrm{PDF}\) \(\texttt{xetex}\) \(\texttt{xelatex}\)
LuaTeX 引擎 \(\textrm{PDF}\) \(\texttt{luatex}\) \(\texttt{lualatex}\)

\(\texttt{latex}\) 编译命令和 \(\LaTeX{}\) 格式往往容易混淆，在讨论关于 \(\LaTeX{}\) 的时候需要明确。

在此介绍一下几个编译命令的基本特点：

编译命令 解释
\(\texttt{latex}\) 虽然名为 \(\texttt{latex}\) 命令，底层调用的引擎其实是 pdfTeX。 该命令生成 \(\texttt{dvi}\)格式的文档, 用 \(\texttt{dvipdfmx}\) 命令可以将其转为 \(\texttt{pdf}\)。
\(\texttt{pdflatex}\) 底层调用的引擎也是 pdfTeX，可以直接生成 \(\texttt{pdf}\) 格式的文档。
\(\texttt{xelatex}\) 底层调用的引擎是 XeTeX，支持 UTF-8 编码和对 TrueType/OpenType 字体的调用。 当前较为方便的中文排版解决方案基于 \(\texttt{xelatex}\)。
\(\texttt{lualatex}\) 底层调用的引擎是 LuaTeX。这个引擎在pdfTeX 引擎基础上发展而来，除了支持 UTF-8 编码和对 TrueType/OpenType 字体的调用外，还支持通过 Lua 语言扩展 \(\TeX{}\) 的功能。 \(\texttt{lualatex}\) 编译命令下的中文排版支持需要借助 luatexja宏包。

参考文献

[1] Partl H, Hyna I, Schlegl E. 一份 (不太) 简短的 LATEX2ε 介绍[J]. 2024. https://github.com/CTeX-org/lshort-zh-cn

  1. https://www.latex-project.org↩︎

  2. 以单个字符作为命令的参数时，可以不加括号。例如，在数学环境下，\frac12 和 \frac{1\}\{2} 的效果是一样的。↩︎

  3. 个别命令在分组内仍然会产生全局作用，例如\setcounter 等命令。↩︎

  4. 使用多个宏包时指定选项，相当于给每个宏包指定同样的选项。如果有某个宏包不能识别指定的选项，则会出错。↩︎

  5. \(\LaTeX{}\) 2020-10-01 版本之后允许添加扩展名。↩︎