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# 如何在 LaTeX 中使用 TikZ 繪製向量圖形

**作者：Cody Herring（2013年5月）**

### LaTeX 中的程序式圖形：基礎

傳統上，圖形會以點陣圖表示，位元數可從 1 位元（黑白）到 24 位元（真彩色）不等。這使得在傳統（矩形）電腦螢幕上簡單顯示圖形成為可能。然而，要產生能準確表示文件或紙上內容的點陣圖，可能既困難又繁瑣。

程序式圖形可藉由讓更明確且更容易理解的系統（例如可縮放向量圖形，Scalable Vector Graphics，SVG）來協助達成這一點。透過定義向量、線條與形狀，而不是單獨的像素，就能輕鬆為多種尺寸、長寬比、像素密度、列印品質等產生圖像。本教學將使用 Portable Graphics Format 與 TikZ 簡要介紹程序式圖形：

* **Portable Graphics Format** （PGF）是一組基本工具集，可用來產生簡單的圖形與圖表；
* **TikZ** 是 PGF 的擴充套件，可讓您使用大量預先建立的圖形。

關於 TikZ 與 PGF 的完整文件可參見 [PGF 手冊](http://mirrors.ctan.org/graphics/pgf/base/doc/pgfmanual.pdf).

### 使用 PGF 與 TikZ

若要使用 TikZ 套件，必須先匯入它：

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

若要繪製圖片，必須使用 `tikzpicture` 環境：

```latex
\begin{tikzpicture}
指令寫在這裡
\end{tikzpicture}
```

### 基本繪圖

TikZ 可以繪製許多不同的形狀與路徑。以下將展示一些基本繪圖技巧。這些技巧可以結合起來，形成更複雜的圖形。

#### 直線路徑

從一個點到另一個點的直線路徑可以使用 `\draw` 命令，依照 X/Y（水平／垂直）座標系統來畫，例如：

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

多個 `\draw` 呼叫也可以串接在一起。這會在 X 方向從 -5 到 +5、Y 方向從 -2 到 +2 繪出一組座標軸。

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

![TikZFigure 1.png](/files/293efa169f0cf20d7835cc91b78b46056a7131a7)

只要加入額外參數，就可以將樣式套用到這些線條上。以下是同一張圖，但改為綠色、點狀、超粗的線條，並逆時針旋轉 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/c201989a551acc62c179ddda0799275a88f6fefc)

#### 變更圖表大小

有時候，圖表的預設大小太大或太小。使用 `scale` 參數來宣告 `tikzpicture` 環境時，可在維持相同比例的情況下使用不同大小：

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

下圖顯示套用 `[scale=0.3]`:

![TiKZFigure 3.png](/files/772edc714c67906a571e7b330df5938c82d7c250)

#### 加入箭頭端點

箭頭對於圖表與示意圖很有用，而且在 TikZ 圖中也很容易加入。前面示範的樣式都可以使用，另外還有幾種不同的箭頭端點。

```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/7a43cdf206f0ebbf9210586160d3ed749d3233c3)

### 繪製曲線

使用 TikZ 繪製曲線最簡單的方法，是指定起點與終點，以及從起點離開和到達終點時所需的角度。

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

![TiKZFigure 5.png](/files/0d1ddd3630ce4cd4289de27fc6a2e2c668d40292)

也可以使用串接呼叫建立更複雜的圖表。PGF 會依據提供的方向，盡可能繪出最平滑的線條。

```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/0cf1c3cfb0081c4052ef265da3920e589107a306)

### 結論

向量圖形能繪製的內容沒有盡頭，而它們能夠提供可縮放、易於編輯的圖表與圖片，對於尋找簡單方式使用圖形的 LaTeX 使用者來說是一大福音。這篇文章只觸及了可能性的表面，但應該足以作為向量圖形與 TikZ/PGF 環境能力的良好入門。

其他資源：

* [TikZ 入門簡介](http://cremeronline.com/LaTeX/minimaltikz.pdf);
* [CTAN 上的 TikZ 與 PGF 文件](http://mirrors.ctan.org/graphics/pgf/base/doc/pgfmanual.pdf);
* [Overleaf 的 learn Wiki 頁面](/latex/zh-tw/tu-biao-yu-biao-ge/05-tikz-package.md).


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