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TikZ入门教程

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By Z.H. Fu
https://fuzihaofzh.github.io/blog/

引言

在绘制流程框图时，有许多工具可以采用，最著名的有微软的Viso，而开源的有Graphviz、PGF/TikZ，最近要再Mac上画一个流程图，Graphviz是采用dot语言的一个矢量图生成系统，但是不支持LaTeXLaTeX公式，安装也比较麻烦。PGF是用于生成矢量图的一种语言，而TikZ则是在Tex环境下的一个宏包，实现了对PGF的封装，所以我们要使用TikZ，就需要先配置LaTeXLaTeX环境，用TikZ绘制出来的图形效果非常好，原生支持所有LaTeXLaTeX语法，同时能和正文的文字字体保持高度一致，但是学习曲线略微陡峭，适合有排版强迫症的同学。那么下面我们一步一步地熟悉用TikZ来绘制流程图。

![TikZ_sample](/blog/images/tikz/TikZ_sample.svg)

环境安装与配置

我们首先要安装Tex环境，Windows系统推荐Texlive 完整安装，Mac系统推荐MacTex 完整安装后，在Windows下，已安装默认编辑器WinEdt，而在Mac下的编辑器则是TeXShop，这两个编辑器都非常好用，直接用就可以了。

第一个例子

我们先从一个最简单的例子开始：画一条直线。
　　代码如下：

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\documentclass[tikz]{standalone}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
    \begin{tikzpicture}
        \draw (0,0) -- (1,1);
    \end{tikzpicture}
\end{document}

这样，我们得到了一个pdf文件，我们用pdf2svg工具将其转换为svg格式的矢量图。
输出：

![TikZ_s0](/blog/images/tikz/TikZ_s0.svg)

带\的都是LaTeX的宏命令，可以看到，这段代码的核心就一句话 \draw (0,0) -- (1,1); 这句话的意思就是从（0，0）到（1，1）画一条线段。我们还可以画的稍微复杂一点：

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\documentclass[tikz,convert=pdf2svg]{standalone}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
    \begin{tikzpicture}
        \draw [color=blue!50,->](0,0) node[left]{$A$}-- node [color=red!70,pos=0.25,above,sloped]{Hello}(3,3) node[right]{$B$};
    \end{tikzpicture}
\end{document}

输出：

![TikZ_s1](/blog/images/tikz/TikZ_s1.svg)
　　可以看到，`\draw`后面的方括号中跟的是对线的一些设置，`color=blue!50`表示的是用50%的蓝色，因为LaTeX中，%用作了注释，所以这里用!替代，`->`表示的是线形是一个箭头，我们注意到，在起点坐标，--，终点坐标后面，我们分别加入了一个node元素，起点后面的node表示的是加入一个标示，它在坐标点（0，0）的左边，`--`后面的node采用70%的红色，位置在线段的上方0.25的位置，随线段倾斜，花括号中是node的文字，为Hello，终点坐标同理。node经常用于加入一些标注，这一点我们在后面将会看到。

一些复杂的形状

在TikZ中，除了画线段之外，还支持各种复杂的形状，下面一个例子给出了一些常见的形状：

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\documentclass[tikz,convert=pdf2svg]{standalone}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
    \begin{tikzpicture}
        \draw (0,0) circle (10pt);     %画一个圆心在原点，半径为10pt的圆；
        \draw (0,0) .. controls (1,1) and (2,1) .. (2,0);       %画一个起点为（0，0），终点为（2，0），控制点为（1，1），（2，1）的贝塞尔曲线；
        \draw (0,0) ellipse (20pt and 10pt);       %画一个中心在原点，长轴、短轴分别为20pt和10pt的椭圆；
        \draw (0,0) rectangle (0.5,0.5);       %画一个从（0，0）到（0.5，0.5）的矩形
        \filldraw[fill=green!20!white, draw=green!50!black](0,0) -- (3mm,0mm) arc (0:30:3mm) -- cycle;画一个扇形，并填充，扇形的边色和填充色的透明度不同。
    \end{tikzpicture}
\end{document}

输出：

![TikZ_s2](/blog/images/tikz/TikZ_s2.svg)
## 属性预定义 　　在刚才的例子中我们看到，随着我们对样式需求的多样化，属性越来越长，而且多个实体之间往往具有相同的属性，这样一来，我们希望能预定义一个属性集合，到时候直接赋给相应的实体，TikZ本身就是个宏，因此它为我们提供了强大的属性定义功能，来看这段代码： 
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\documentclass[tikz,convert=pdf2svg]{standalone}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
    \begin{tikzpicture}
    [L1Node/.style={circle,   draw=blue!50, fill=blue!20, very thick, minimum size=10mm},
    L2Node/.style={rectangle,draw=green!50,fill=green!20,very thick, minimum size=10mm}]
       \node[L1Node] (n1) at (0, 0){$\int x dx$};
       \node[L2Node] (n2) at (2, 0){$n!$};
    \end{tikzpicture}
\end{document}
输出：
![TikZ_s3](/blog/images/tikz/TikZ_s3.svg)
在这段代码中，我们在最开始定义了两个名为L1Node和L2Node的属性，在生成node结点的时候直接填到属性的位置即可。

循环

TikZ相比于Viso的一个优势就在于其循环功能，Viso里面要循环画十个圆就得复制十次，还要调节各自的位置，如果遇到需要调整位置又得重来，TikZ这种命令行的方式能直接画出来，如果需要调整位置，更改参数即可，我们在上一个例子上生成十个结点：

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\documentclass[tikz,convert=pdf2svg]{standalone}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
    \begin{tikzpicture}
    [L1Node/.style={circle,   draw=blue!50, fill=blue!20, very thick, minimum size=10mm},
    L2Node/.style={rectangle,draw=green!50,fill=green!20,very thick, minimum size=10mm}]
       \foreach \x in {1,...,5}
        \node[L1Node] (w1_\x) at (2*\x, 0){$\int_\Omega x_\x$};
    \end{tikzpicture}
\end{document}

输出：

![TikZ_s4](/blog/images/tikz/TikZ_s4.svg)
## node树 node结点不但可以用于添加标识，还可以来绘制树形图，下面看一个例子 
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\documentclass[tikz,convert=pdf2svg]{standalone}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
    \begin{tikzpicture}
        \node {root}
            child {node {a1}}
            child {node {a2}
                child {node {b1}}
                child {node {b2}}}
            child {node {a3}};
    \end{tikzpicture}
\end{document}
输出：
![TikZ_s5](/blog/images/tikz/TikZ_s5.svg)
稍微加点样式： 
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\documentclass[tikz,convert=pdf2svg]{standalone}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
    \begin{tikzpicture}
    [every node/.style={fill=blue!30,draw=blue!70,rounded corners},
     edge from parent/.style={blue,thick,draw}]
        \node {root}
            child {node {a1}}
            child {node {a2}
                child {node {b1}}
                child {node {b2}}}
            child {node {a3}};
    \end{tikzpicture}
\end{document}
输出：
![TikZ_s6](/blog/images/tikz/TikZ_s6.svg)
## 绘制函数图像 TikZ提供了强大的函数绘制功能，下面的代码展示了如何绘制函数，当然，绘制数据图表并非TikZ擅长的事情，也并非其设计初衷，TikZ着眼于定性的图表，定量数据的演示还是用其他工具绘制较好。 
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\documentclass[tikz]{standalone}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
    \begin{tikzpicture}[domain=0:4]
  \draw[very thin,color=gray] (-0.1,-1.1) grid (3.9,3.9);
  \draw[->] (-0.2,0) -- (4.2,0) node[right] {$x$};
  \draw[->] (0,-1.2) -- (0,4.2) node[above] {$f(x)$};
  \draw[color=red]    plot (\x,\x)             node[right] {$f(x) =x$};
  % \x r 表示弧度
  \draw[color=blue]   plot (\x,{sin(\x r)})    node[right] {$f(x) = \sin x$};
  \draw[color=orange] plot (\x,{0.05*exp(\x)}) node[right] {$f(x) = \frac{1}{20} \mathrm e^x$};
\end{tikzpicture}
\end{document}
输出：
![TikZ_s7](/blog/images/tikz/TikZ_s7.svg)
## 图 TikZ提供了图的支持，通过类似于dot语言的方式来生成图关系 
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\documentclass[tikz]{standalone}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{graphs}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
    \graph {
        "$x_1$" -> "$x_2$"[red] -> "$x_3,x_4$";
        "$x_1$" ->[bend left] "$x_3,x_4$";
    };  
\end{tikzpicture}
\begin{tikzpicture}
    \graph  {
     a -> {
        b -> c,
        d -> e
     } -> f
    };
\end{tikzpicture}
\end{document}
输出：
![TikZ_s8](/blog/images/tikz/TikZ_s8.svg)
![TikZ_s82](/blog/images/tikz/TikZ_s82.svg)
## 总结 关于TikZ的入门就写到这里，通过上面几个例子我们可以看出，TikZ能精确绘制各种复杂的示意图，能非常好地完成Viso，Graphviz等工具完成的功能。参考文献中给出了一个例子的网站，通常想绘制的图形都能在这上面搜到，自己稍微改一改就能直接使用。 ## 参考文献 [1] http://www.texample.net/tikz/examples/ (提供了大量示例) [2] The TikZ and PGF Packages Manual（TikZ的手册） [3] A very minimal introduction to TikZ (一个入门教程)