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。
- 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。 - 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.tex1.5 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：
Class | 解释 |
|---|---|
article | 文章类型，用于科学期刊、报告、技术文档等的排版 |
proc | 会议类型，基于文章类型构建 |
minimal | 极简类型，只有页码和基本字体 |
report | 报告类型，用于长报告、小型书籍、学位论文等的排版 |
book | 书籍类型，用于书籍排版 |
slides | 幻灯片类型，用于幻灯片排版 |
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：
Option | 解释 |
|---|---|
10pt, 11pt, 12pt | 设置文档中主要字体的大小，默认为 10pt |
a4paper, letterpaper, … | 定义纸张的大小，默认为 letterpaper |
fleqn | 将数学公式左对齐，而不是中间对齐 |
leqno | 将数学公式的编号放在左侧，而非右侧 |
titlepage, notitlepage | 设置文档标题后是否另起一页，article 默认不起，book 和 report 则默认起 |
onecolumn, twocolumn | 指定排版方式为单列或双列 |
twoside, oneside | 指定排版方式为双面或单面（如页眉的差别），article 和 report 默认为单面，book 默认为双面，注意这一选项只会决定文档的式样，并不会通知打印机执行双面打印 |
landscape | 将版式改为横向排版 |
openright, openany | 定义新的章节是起始于右边页（针对双面排版而言）还是下一可用页。article 类型没有章节概念，report 默认为下一可用页，book 则默认为右边页 |
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。
Style | 解释 |
|---|---|
plain | 默认风格，页眉为空，页脚为居中的页码 |
headings | 页眉由当前的章节标题和页码组成，页脚为空 |
empty | 页眉、页脚均为空 |
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：
扩展名 | 解释 |
|---|---|
.tex | LaTeX 源文件，通过 latex 命令编译（或其他特定编译器） |
.sty | LaTeX 宏包文件，通过 \usepackage 加载（通过 ins 和 dtx 编译得到） |
.dtx | 文档化 TeX 文件，为宏包发布的主要格式，编译可得到宏包代码 |
.ins | 相应的 dtx 文件的安装文件，使用 LaTeX 对 ins 文件进行处理即可解包 dtx 文件 |
.cls | 定义文档样式的类文件，通过 \documentclass 命令选择 |
.fd | 字体描述文件，用于向 LaTeX 描述新字体 |
下面这些文件则会在执行 LaTeX 编译后生成：
扩展名 | 解释 |
|---|---|
.dvi | 设备无关文件，为经典 LaTeX 的编译结果，可以通过 DVI 预览器查看。一些特定的编译器会直接生成 pdf |
.log | 记录了上次编译运行时的详细信息 |
.toc | 存储所有的章节标题，会在下次编译运行时生成目录 |
.lof | 与 toc 类似，用于生成图片目录 |
.lot | 与 toc 类似，用于生成表格目录 |
.aux | 另一个用来向下次编译传递信息的辅助文件，例如交叉引用信息 |
.idx | 用来存储所有索引词条的文件，需要使用 makeindex 命令处理 |
.ind | 处理后的 idx 文件，可以在下次编译时整合进文档 |
.ilg | makeindex 命令产生的日志文件 |
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。