Математические формулы в LaTeX: Math in LaTeX

Этот пост является частью
большой статьи
"Как оформить диплом в LaTeX?",
которую написал virens,
ведущий блога
"Записки дебианщика"

Для того, чтобы написать диплом по физическим специальностям, трёхэтажных километровых формул набирать не надо, а надо усвоить несколько простых и понятных команд LaTeX. Потребуется освоить окружение нумерованных и ненумерованных формул, а так же набор массива формул. Ну и основные команды для обозначения математических символов.

Ещё раз повторюсь: эти посты предназначены для физиков, простых крепких парней, которым нужны сравнительно простые математические выражения. Я ни в коем разе не претендую на полноту изложения - приводимой здесь информации должно хватить для набора не слишком заматемаченного диплома по естественным наукам.

Пост подвергался чистке и правке после публикации:
Автор заходил править этот пост 6 апреля 2013 года.

О формулах в целом

Первое и главное - пользуйтесь тем, что предоставляет вам интегрированная среда. Обзор интегрированных сред для LaTeX можно прочитать по этой ссылке. В её вкладках должны быть таблицы греческих символов, основных математических операторов и прочего. Самое главное, что символы в таком виде гораздо проще найти и вставить, не перелистывая талмуд со специальными символами.

Заучивать команды для математических символов в LaTeX не нужно - вы и так большинство команд запомните за их красивые и лаконичные названия. Едва ли вы испытаете серьёзные затруднения с названиями греческих букв $\alpha$, $\gamma$ или $\delta$. Основные математические символы тоже должны быть в вашей интегрированной среде, такие как столь любимые физиками приближённые равенства $\approx$ или интегралы с суммами.

Быстрый старт - набор простых формул

Формулы можно вставлять в строке или торжественно на отдельной строке, по центру и с номером. Малозначительные формулы типа $f(x) = a\cdot x + b$ вставляются, как правило, в строчку, а что-то серьёзное, вроде разложения в ряд Фурье:

\begin{equation}\label{eq:fourierrow}
f(x) = \frac{A_0}{2} + \sum \limits_{n=1}^{\infty} A_n \cos \left( \frac{2 n \pi x}{\nu} - \alpha_n \right) 
\end{equation}

оформляется с помощью окружения \begin{equation}\label{ссылка} ... \end{equation}.

Набранная формула выглядит так:

При этом напротив неё будет помещён номер, сгенерированный автоматически. Для того, чтобы сослаться на эту формулу, в LaTeX тексте будем ставить (\ref{ссылка}) чтобы на неё сослаться. Имена ссылкам стоит давать на латиннице, во избежание проблем. Если формула приводится для пояснений и ссылаться на неё не надо, следует поставить после equation звёздочку, то есть equation* и после этого номер для данной формулы генерироваться не будет.

Смысл использования LaTeX - создание логичного, структурированного документа, а не каши из кривого оформления и потока сознания.

Ссылки должны быть осмысленными и безошибочно говорить автору текста, какая формула имеется в виду. Не стоит потворствовать лени и глупости, проявляющихся в ссылках типа \label{uravnenie6} - следует спросить себя, что означает эта формула и дать ей осмысленное имя.

Вставка формул в текст

Чтобы вставить формулу внутрь текста, используем окружение $ $, внутри которого помещаем формулу. Окружение $ $ переводит LaTeX в математический режим и будет отрисовывать формулы. Например: $\alpha_0$ даст нам греческую букву АЛЬФА с индексом 0. 

Подчёркиванием в LaTeX делается нижний индекс, и использовать подчёркивание в тексте нельзя (для подчеркивания в тексте есть пакет расширений ulem). Если хотите набирать длинные пассажи в подчёркивании - ставьте фигурные скобки $x_{i,j}$.

Кроме того, ЛаТеХ категорически против двойного нижнего индекса, и команда $x_j_k$ приведёт к ошибке. Но фигурные скобки позволят нам надурить LaTeX и сделать двойной индекс так: $x_{j_k}$. Если же вам нужен верхний индекс в формуле, используем символ ^ так: $x^2$. LaTeX возведёт в степень только первый символ после крышки, и если в степень нужно возвести сразу много символов, экранируем их фигурными скобками (они не отображаются в тексте): $x^{2x+1}$.

Если же вы хотите набрать в формуле фигурные скобки, следует заэкранировать их вот так: \{  и они будут отрисованы в формуле, например $x \{j \}$ . 

О символах в LaTeX

Символов в LaTeX огромное количество, и большинство их собрано в справочном файле под названием symbols-a4.pdf.

Если вы обрабатываете изображения, вам пригодится команда \times, что позволяет набирать вставки типа NхM в более приглядном виде $N\times M$. А если нужно набрать в LaTeX символ градуса, можно воспользоваться таким трюком: $180^\circ$, что наберёт 180 градусов. Символ "Принадлежит" в Latex это $\in$, а символ "Любой" в это $\forall$.
Для тех, кому нужно работать с Фурье-преобразованием, будет приятно набрать букву F в более торжественном стиле для функций, над которым выполняется преобразование: $\mathcal{F} {g(x,y)}$ наберёт большую и красивую букву F для фурье-преобразования.

Набор скобок в LaTeX немного замороченный на первый взгляд. Можно просто поставить обычные скобки, но если формула большая, то можно поставить большие скобки в LaTeX командой $\Bigr($ и $\Bigl)$. Скобок можно поставить много и на любой вкус и размер с помощью команд ( \big( \Big( \bigg( \Bigg( которые превратятся в тексте вот в это:

Автор настоятельно рекомендует отличный вебсервис Detexify: в броузере вы просто рисуете символ, который хотите вставить в LaTeX, и вебсервис попытается угадать и выдать соответствующую команду для LaTeX.

 LaTeX прост!

Ещё раз подчеркну: LaTeX не сложен, он прост, как рельса. И LaTeX сделает буквально то, что вы попросите. Поэтому не бойтесь в коде документа перемежать текст вставками математического режима - такой слегка костылявый способ приведёт вас к желаемому результату быстро и просто. Несколько дней практики, и вы будете рубить формулы в LaTeX, как Чапай белогвардейцев.

... и парочка примеров формул в LaTeX

От слов к делу - сейчас мы разберём несколько примеров набора формул. С точки зрения математиков, примеры ниже кошмарны полным отсутствием смысла, но идею набора формул в LaTeX передать должны.

Набор формулы LaTeX с дробью и суммами

Пример первый: набор формулы с дробью и суммами:

LaTeX код этой формулы:   

\begin{equation} 
f(x,y,\alpha, \beta) = \frac{\sum \limits_{n=1}^{\infty} 
A_n \cos \left( \frac{2 n \pi x}{\nu} \right)} {\prod \mathcal{F} {g(x,y)} } 
\end{equation}

Здесь хочется ещё раз подчеркнуть важность структурирования своего LaTeXовского кода, без сваливания всего в одну кучу и набора в строчку длинных формул. Иначе потом не поймёте, где отец, а где кузнец.

Если посмотреть на код формулы без страха и ужаса, можно заметить много простых и понятных английских слов. Слово \sum это, видимо, суммирование, а \limits - пределы суммирования. Если немного напрячь познания английского, то можно вспомнить слово fraction и догадаться, что \frac скорее всего набирает дроби. Как видно, набор формул в LaTeX для тех, каким-то образом получивших техническое образование вместе с зачатками знаний английской языка, не такая уже сложная задача.
Дроби набираются командой \frac{числитель}{знаменатель}. Удобно набирать числитель и знаменатель в дробях на разных строчках в коде - так проще потом работать с формулой. 

Примечательная команда \limits, которая позволяет набирать верхние и нижние пределы в формулах LaTeX. Сама по себе команда \sum, \prod или \int просто отрисовывает интеграл, а если нужно над ними ставить пределы - вспоминаем по \limits_{n=1}^{\infty}. Здесь нижний предел это n=1, а верхний предел бесконечен (символ бесконечности в LaTeX это команда \infty).

Основные идеи вы к этому моменту должны воспринять, потому как у меня уже подоспел второй примерчик с интегралами.

Длинные формулы в LaTeX

Например, нужно набрать длинную формулу, а она не умещается в строчку. Вот пример такого монстра:

Код формулы: 

\begin{eqnarray} S_{\text{вых}}(x_2, y_2) = \iint dx_0 dy_0 A_0 g(x_0, y_0) \cdot h(x_2-x_0, y_2 -y_0) = \\
 = A_0 \underbrace{\iint dx_0 dy_0 \; g(x_0, y_0) 
\cdot h(x_2-x_0, y_2 -y_0)}_{\text{по определению это есть свёртка }} = A_0 g \otimes h 
\end{eqnarray}

Новых конструкций здесь несколько.

Во-первых, интеграл, да не простой, а двойной. Интеграл в LaTeX отрисовывается командой $\int$, двойной интеграл в LaTeX это $\iint$.

Во-вторых, внизу формулы есть подпись - её можно поставить с помощью команды \underbrace{формула}_{подпись}. Подпись под буквой можно вставить, воспользовавшись командой \text{текст}, которая на время выключит математический режим в формуле и вставит текст.

В-третьих, собственно, в LaTeX перенос формул на новую строку можно выполнить обычной командой \\ и это избавит от необходимости использовать окружение eqnarray, о котором чуть ниже.

Так же можно отметить маленькую, но очень изящную команду \cdot, которая наберёт вам маленькую точечку умножения вместо этой страшной вордовской *. Так же в этом примере показано, как поставить пробел в формуле LaTeX, а именно командой \; то есть $dx_0 dy_0 \; g(x_0, y_0)$.

Большие и страшные формулы в несколько строк

Если формула очень длинная и в строку не помещается, используем окружение \begin{eqnarray} ... \end{eqnarray}, а переносы формулы на другую строку делаем с помощью двойного слеша \\ и в результате получаем:

\begin{eqnarray}
J_\lambda(x_2, y_2, s_2) =
\iint K_\lambda(x_2, y_2) \cdot \Bigl| m_\lambda
\left(
\frac{x_2-x_0}{\lambda \cdot s_2} , \frac{y_2-y_0}{\lambda \cdot s_2}\right)\Bigr|^2 \,dx_0\,dy_0 = \nonumber \\
= K_\lambda(x_2, y_2) \otimes \Bigl| m_\lambda \left( \frac{x_2}{\lambda \cdot s_2} , \frac{y_2}{\lambda \cdot s_2} \right) \Bigr|^2
\end{eqnarray}

Здесь стоит отметить команду \Bigl| для отрисовки вертикальной линии - после Bigl стоит прямая скобка | и именно она отрисовывает линию в формуле. Конструкция \Bigl ... \Bigr позволяет ставить в формулах LaTeX большие скобки, и не только скобки: в данном случае приведён пример с модулем.

Окружение eqnarray позволяет набирать длинные формулы и нумеровать перенесённые на новую строку части формулы. По умолчанию номер ставится после каждой части формулы, перенесённой на новую строку. Если нумеровать кусок не нужно - ставим директиву \nonumber перед переносом формулы \\.

Формулы в LaTeX с несколькими вариантами (формула зависит от значения переменной)

Нам нужно вставить перечисление возможных значений формулы в зависимости от значения переменной, например:

Для этого стоит использовать окружение \begin{matrix} для набора таких сложных формул:

\begin{equation}
    \begin{matrix}
    \hat{\Phi}[k,l] & =
    & \left\{
    \begin{matrix}
    0 & \mbox{if } k,l = 0 \\
    S_x[k,l]\cdot H_x[k,l] + S_y[k,l]\cdot H_y[k,l] & \mbox{otherwise }
    \end{matrix} \right.
    \end{matrix}
\end{equation}

Следует отметить, что конструкция с \left{ работать не будет.

Заключение

Разумеется, это далеко не полное руководство по набору формул, но я думаю, что прочтение это поста поможет кому-то быстро включиться (а мне - вспомнить) про набор основных формул в LaTeX.