使用 TikZ 绘制图形：基础知识

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简介

TikZ 是在 LaTeX 中创建图形元素的最复杂和强大的工具。第一期介绍了：使用 TikZ 绘制图形：介绍和资料分享。本期通过一个简单的例子，介绍一些基本概念：绘制线条、点、曲线、圆、矩形等。

首先，在文档的导言部分加载 TikZ 包，方法是包含一行 \usepackage{tikz}，然后使用 tikzpicture 环境绘制图形。

\documentclass{article}
\usepackage{tikz}
\usepackage{ctex} %解决中文显示问题
\begin{document}
 \begin{tikzpicture}
  \draw[gray, thick] (-1,2) -- (2,-1);
  \draw[gray, thick] (-1,-1) -- (2,2);
  \filldraw[black] (0.5,0.5) circle (2pt) node[anchor=west]{交点};
 \end{tikzpicture}
\end{document}

得到以下结果：

添加线：\draw[gray, thick] 定义了一个图形元素，其颜色为灰色，线条粗细为 thick。该线实际上由两个端点 (-1,2) 和 (2,-1) 定义，通过 -- 连接这两个点。

添加点：\filldraw[black]绘制圆并使用黑色填充。位置为 (0.5,0.5) 和半径 (2pt)。点旁边是一个节点，包含文本 "交点" 的方框，并以点的西侧为锚点。

注意：每个绘制命令末尾使用的分号；

基础元素：点，线和路径

本节我们展示如何创建一些基本的图形元素，这些元素可以组合在一起创建更为复杂的图形。

\documentclass{article}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
  \begin{tikzpicture}
    \draw (-2,0) -- (2,0);
    \filldraw [red] (0,0) circle (2pt);
    \draw (-2,-2) .. controls (0,0) .. (2,-2);
    \draw (-2,2) .. controls (-1,0) and (1,0) .. (2,2);
  \end{tikzpicture}
\end{document}

得到以下结果：

在这个例子中有三个基本命令：

1. \draw (-2,0) -- (2,0);: 定义一条线段，其端点分别为 (-2,0) 和 (2,0)。

2. \filldraw [gray] (0,0) circle (2pt);: 创建一个非常小的灰色圆，其圆心为 (0,0)，半径为 (2pt)。\filldraw 命令用于绘制元素并以特定颜色进行填充。有关更多示例，请参阅下一节。

3. \draw (-2,2) .. controls (-1,0) and (1,0) .. (2,2);: 绘制贝塞尔曲线。定义四个点：(-2,2) 和 (2,2) 是它的端点，(-1,0) 和 (1,0) 是控制点，决定了曲线的"曲度"。

基本几何形状：圆，椭圆和多边形

几何图形可以由更简单的元素构建，因此让我们从圆、椭圆和弧开始。

\documentclass{article}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
  \begin{tikzpicture}
    \filldraw[color=red!60, fill=red!5, very thick](-1,0) circle (1.5);
    \fill[blue!50] (2.5,0) ellipse (1.5 and 0.5);
    \draw[ultra thick, ->] (6.5,0) arc (0:220:1);
  \end{tikzpicture}
\end{document}

可以得到以下结果：

在这个例子中有三个基本命令：

1. \filldraw[color=red!60, fill=red!5, very thick](-1,0) circle (1.5);: 此命令在前面的部分用于绘制一个点，但在这个例子中，在方括号内有一些额外的参数。下面是这些参数的解释：

• color=red!60: 圆环的颜色设置为 60% 的红色（比"纯"红色更浅）。请参阅参考指南以获取 LaTeX 中默认颜色的列表；此外，请参阅在 LaTeX 中使用颜色以了解如何创建自己的颜色。

• fill=red!5: 填充圆为更浅的红色。

• very thick: 此参数定义了线条的粗细。请参阅参考指南以获取完整的数值列表。

\fill[blue!50] (2.5,0) ellipse (1.5 and 0.5);: 创建椭圆，提供中心点 (2.5,0) 和两个半径：水平和垂直分别为 (1.5 和 0.5)。

\draw[ultra thick, ->] (6.5,0) arc (0:220:1);: 绘制从点 (6.5,0) 开始的弧。额外的参数 -> 表示弧末端将有一个箭头。除了起点外，还必须提供三个额外的值：起始和结束角度，以及半径；在这里设置为 (0:220:1) 。

除了曲线几何形状，您还可以创建使用直线的元素，使用类似的语法：

\documentclass{article}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\draw[blue, very thick] (0,0) rectangle (3,2);
\draw[orange, ultra thick] (4,0) -- (6,0) -- (5.7,2) -- cycle;
\end{tikzpicture}
\end{document}

1. \draw[blue, very thick] (0,0) rectangle (3,2);: 矩形是通过特殊命令 rectangle 创建的。需要提供两个点，第一个点是开始绘制矩形的地方，第二个点是对角线上的点。

2. \draw[orange, ultra thick] (4,0) -- (6,0) -- (5.7,2) -- cycle;: 要绘制多边形，需要绘制由直线组成的闭合路径：从 (4,0) 到 (6,0)，以及从 (6,0) 到 (5.7,2) 的一条线。cycle 指令意味着起始点和结束点应该重合，从而创建一个“闭合”路径（形状），这导致构建最终的线段。

图表

在 TikZ 中，节点可能是最灵活的元素。我们在介绍中已经使用了一个节点——用于在图中添加一些文本。下一个例子使用节点创建一个图表。

\documentclass{article}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{positioning}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[
roundnode/.style={circle, draw=green!60, fill=green!5, very thick, minimum size=7mm},
squarednode/.style={rectangle, draw=red!60, fill=red!5, very thick, minimum size=5mm},
]
%Nodes
\node[squarednode]      (maintopic)                              {2};
\node[roundnode]        (uppercircle)       [above=of maintopic] {1};
\node[squarednode]      (rightsquare)       [right=of maintopic] {3};
\node[roundnode]        (lowercircle)       [below=of maintopic] {4};
%Lines
\draw[->] (uppercircle.south) -- (maintopic.north);
\draw[->] (maintopic.east) -- (rightsquare.west);
\draw[->] (rightsquare.south) .. controls +(down:7mm) and +(right:7mm) .. (lowercircle.east);
\end{tikzpicture}
\end{document}

得到以下结果：

这个图中实际上有三个命令：节点定义，节点声明和连接两个节点的线。

1. roundnode/.style={circle, draw=green!60, fill=green!5, very thick, minimum size=7mm}：作为参数传递给 tikzpicture 环境。定义了一个节点，将被引用为 roundnode：这个节点将是一个圆，其外环将用 绿色!60 绘制，并用 绿色!5 填充。线条将非常粗，其最小大小为 7mm。下面的行定义了一个使用类似参数的名为 squarednode 的第二个矩形形状的节点。

2. \node[squarednode] (maintopic) {2};：这将创建一个 squarednode，如前面的命令中定义的。此节点将具有 maintopic 的 ID，并包含数字 2。如果在大括号内留空，将不显示文本。

3. [above=of maintopic]：请注意，除了第一个节点外，所有节点都有一个额外的参数，用于确定相对于其他节点的位置。例如，[above=of maintopic] 意味着该节点应该出现在名为 maintopic 的节点上方。为了使此定位系统正常工作，必须在导言中添加 \usetikzlibrary{positioning}。如果没有 positioning 库，您可以使用语法 above of=maintopic，但定位语法更灵活和强大：您可以将其扩展为写成 above=3cm of maintopic，即控制相对于 maintopic 的实际距离。

4. \draw[->] (uppercircle.south) -- (maintopic.north);：将绘制类似箭头的直线。语法在基本元素部分已经解释过。唯一的区别在于编写线的端点的方式：通过引用一个节点和相对于节点的位置。

小编有话说

• 本文主要介绍 TiKZ 包中基础知识：1. 基础元素：点，线和路径；2. 基本几何形状：圆，椭圆和多边形；3. 图表。

• 本文主要参考：TikZ package。在了解基础知识后，小编将继续学习如何使用 Mathcha 绘制图形并转化为 TeX 代码。

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