图片

只考虑 pdflatex 和 xelatex 这两种编译引擎，考虑的图片格式包括：矢量图（pdf, eps），位图（png, jpg）。两种编译引擎都直接支持这些图片格式。

includegraphics

LaTeX 本身不支持插图功能，需要 graphicx 宏包提供支持（或者更基础的 graphics 宏包，graphicx 宏包相当于其扩展）

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\usepackage{graphicx}

导入这个宏包之后，就可以使用 \includegraphics 命令来插入图片

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\includegraphics[<options>]{<filename>}

例如

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\includegraphics{example.png}
\includegraphics{figure/example.png}

这里的图片文件名可以用相对路径或绝对路径表示，但是文件名里既不要有空格或其它特殊符号，否则宏包在解析文件名的过程中会出错。
图片文件的后缀名一般可以省略不写，编译时会自动补充。

在省略图片文件后缀时，如果存在多个仅后缀不同的图片文件，显然有具体的查找顺序，测试发现似乎会优先选择pdf格式。

对于eps格式的图片，因为涉及到自动转换为pdf格式，所有省略后缀与否可能对pdflatex的编译产生明显影响。pdflatex在编译时会尝试执行类型转换，自动在demo.eps图片所在目录生成demo-eps-converted-to.pdf。

完整示例如下

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\documentclass{article}
\usepackage{graphicx}

\begin{document}

\noindent
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{figure/demo}

\end{document}

graphicx 宏包提供了 \graphicspath 命令，用于声明图片文件的存放目录，在搜索图片时会自动去这些目录中寻找，例如

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\graphicspath{{./figure/}{./figures/}{./image/}{./images/}{./graphic/}{./graphics/}}

这些目录是常见的存放图片的目录，即使目录不存在也不会报错。

\includegraphics 命令支持如下几个常见选项：

  • width=<width>：将图片缩放到宽度为 <width>
  • height=<height>：将图片缩放到高度为 <height>
  • scale=<scale>：将图片相对于原尺寸缩放 <scale> 倍
  • angle=<angle>：将图片逆时针旋转 <angle> 度

例如

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% 将图片缩放到宽度为文本宽度的一半，并逆时针旋转 45 度
\includegraphics[width=0.5\textwidth, angle=45]{example.png}

指定宽度是最常见的需求，例如width=0.8\textwidth代表将图片宽度缩放到 80% 的文本宽度。

graphicx 宏包支持草稿选项：当 graphicx 宏包或文档类指定 draft 选项时，图片将不会被实际插入，取而代之的是一个包含文件名的与原图片等大的方框，这有助于加速编译。

浮动体 figure

\includegraphics 命令只能就地插入图片，但是正文中可能包含许多图片和表格等内容，这些内容的尺寸往往太大，导致与文字的排版困难，效果非常混乱，LaTeX 为此引入了浮动体的机制，对浮动体的排版允许脱离原始的上下文，自动填入合适的位置。

LaTeX 预定义了两类浮动体环境：figure 和 table。习惯上在 figure 中放置图片，在 table 中放置表格，但并没有严格限制，实际上可以在其中放置任意内容。两种浮动体环境的用法类似，下面讨论 figure 环境。

figure环境被用来包裹最基本的命令，得到浮动的图片，例如

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\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{demo.png}
\end{figure}

习惯上对于浮动图片都会使用\centering命令使图片水平居中放置。

浮动体的使用主要是如下的几个浮动规则参数：

  1. h (here)：允许放置在当前上下文位置
  2. t (top)：允许放置在当前页或后续页面的顶部
  3. b (bottom)：允许放置在当前页或后续页面的底部
  4. p (page)：允许放置在一个独立页面中

我们可以选择开启其中的部分规则，例如[hbp]就指定允许基于这三种规则来放置浮动体，默认设置为tbp。

可以在选项中加上!来忽略LaTeX对浮动体排版的默认限制，默认限制包括：

  • 浮动体个数：除单独成页外，默认每页不超过 3 个浮动体，其中顶部不超过 2 个，底部不超过 1 个。
  • 浮动体空间占页面的百分比：默认顶部不超过 70%，底部不超过 30% 。

需要注意的是：在实际排版时，对浮动体放置规则的选择顺序是固定的（h-t-b-p），与写法无关，例如[!htp] 和 [ph!t]是完全一样的。

在双栏排版环境下，LaTeX 还提供了 table* 和 figure* 环境用来排版跨栏的浮动体，它们的用法与 table 和 figure 类似，不同之处为横跨双栏的浮动体只允许使用tp 两个规则。

float 宏包为浮动体环境提供了 H 位置参数，不要与 htbp 及 ! 混用。使用 H 位置参数时，会取消浮动机制，将浮动体视为一般的盒子插入当前位置。

浮动体提供了 \caption 命令添加标题，此时会自动给浮动体编号，\caption 命令之后还可以紧跟 \label 命令标记交叉引用。
例如

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\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics{demo.png}
    \caption{Title}\label{fig:1}
\end{figure}

一个值得注意的细节：\caption 命令的位置也比较重要：

  • 如果 \caption 命令放在 \includegraphics 命令之前，则标题在图片上方；
  • 如果 \caption 命令放在 \includegraphics 命令之后，则标题在图片下方。

习惯上，图片的标题建议放置在图片下方，而表格的标题建议放置在表格上方。

与编号的\caption命令类似，\caption* 命令会生成不带编号的标题，但是这个命令是caption宏包提供的。

下面是实践中常用的插入图片的代码片段：

  • 不含标题的图片
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\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{demo.png}
\end{figure}
  • 含有标题和标签的图片
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\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{demo.png}
    \caption{Results}\label{fig:result1}
\end{figure}

多个子图

我们时常有在一个浮动体里面放置多张图的用法（通常是并列子图），有非常多的方法可以实现这样的效果，有的不依赖宏包，有的依赖宏包。

第一种方案如下，直接在一个浮动体中使用两次\includegraphics命令，在两个图片之间需要指定间距

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\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width=...]{a.jpg}
    \hspace{1in} % or \qquad
    \includegraphics[width=...]{b.jpg}
    \caption{Demo}
\end{figure}

但是这种方案只能使用一个\caption命令，只有一个图片标题（和标签），对两个宽度和间距需要具体调整。

第二种方案如下，创建两个minipage环境，此时两个图片可以有独立的标题和标签

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\begin{figure}
    \begin{minipage}{...}
        \centering
        \includegraphics[width=...]{a.jpg}
        \caption{Demo 1}\label{fig:a}
    \end{minipage}
    \begin{minipage}{...}
        \centering
        \includegraphics[width=...]{b.jpg}
        \caption{Demo 2}\label{fig:b}
    \end{minipage}
\end{figure}

这种方案也比较麻烦，需要控制很多的宽度。

上面两种方案看起来都太原始了，当我们需要更进一步，给每个图片定义小标题时，就要通过 subcaption 宏包实现。

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\usepackage{subcaption}

实际上有很多宏包可以实现多个子图的功能，例如subfigure（版本过旧，被弃用），subfig和subcaption。这些宏包相互之间是冲突的，有的版本过旧已经被舍弃，目前只建议使用subcaption。

使用 subcaption 宏包可以给每个子图定义单独的标题和标签，子图的编号与父图的编号具有上下级关系，例如Fig. 3.1(a)。

使用 subcaption 宏包的代码片段如下

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\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \begin{subfigure}[b]{0.47\textwidth}
        \centering
        \includegraphics[width=\textwidth]{a.png}
        \caption{Demo a}\label{fig:subfig-a}
    \end{subfigure}
    \hfill
    \begin{subfigure}[b]{0.47\textwidth}
        \centering
        \includegraphics[width=\textwidth]{b.png}
        \caption{Demo b}\label{fig:subfig-b}
    \end{subfigure}
    \caption{Demo}\label{fig:example}
\end{figure}

其中的\hfill命令会插入弹性的水平间距，比固定的\qquad更合适。

虽然subfigure宏包已经被弃用了，但是鉴于我之前使用过，还是记录一下对应的代码片段。

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% \usepackage{subfigure}

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \subfigure[Demo a]{
        \includegraphics[width=7.25cm]{a.png}
    }
    \subfigure[Demo b]{
        \includegraphics[width=7.25cm]{b.png}
    }
    \caption{Demo}\label{fig:1}
\end{figure}

给透明图片添加底色

有时图片可能是透明的，直接放置到现有背景上可能难以辨识，可以给图片加一个底色，例如

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\begin{figure}[htbp]
    \centering
    {\colorbox{white}
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{demo.png}
    }
\end{figure}

表格

在 LaTeX 中，表格功能由 tabular 环境提供，与图片类似的浮动机制由 table 环境提供。常见的表格类型包括普通文本表格、带线表格、跨列/跨行表格、以及更复杂的长表格和三线表格。

tabular

LaTeX 内置的 tabular 环境用于创建最基本的表格，其语法为

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\begin{tabular}{<alignment>}
    <cell_11> & <cell_12> & ... \\
    <cell_21> & <cell_22> & ... \\
\end{tabular}

其中 <alignment> 用于指定每一列的对齐方式：

  • l：左对齐（left）
  • c：居中对齐（center）
  • r：右对齐（right）

在表格内部：

  • 每一行的单元格之间使用 & 分隔，实际使用的单元格数目可以等于或少于 <alignment> 声明的列数，此时后面的单元格留空；
  • 表格内部的正常换行不会对应表格换行，必须每一行的末尾使用 \\ 手动换行（包括最后一行）。

一个简单示例如下：

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\begin{tabular}{lcr}
    A   & B   & C   \\
    AA  & BB  & CC  \\
    AAA & BBB & CCC \\
\end{tabular}

输出为一个三行三列的表格，依次为左中右对齐，不含任何边框线。

<alignment> 还支持更丰富的效果，包括：

  • p{<width>}：固定单元格的宽度，如果超出会自动折行
  • @{<string>}：在单元格之间插入固定的文本内容，如果留空 @{} 则会消除默认的单元格之间的间距，例如 @{}ccc@{} 可以消除表格两端的空白。

添加边框线

在 <alignment> 中使用 | 可以添加竖线，在表格内部使用 \hline 可以添加横线。例如：

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\begin{tabular}{|l|c|r|}
    \hline
    A   & B   & C   \\
    \hline
    AA  & BB  & CC  \\
    AAA & BBB & CCC \\
    \hline
\end{tabular}

这样就会得到一个带边框和一些横线的表格。

除了跨越整个表格的横线命令 \hline，还有更灵活的横线命令 \cline，接受两个参数指定横线开始和结束的列（闭区间，允许两个值相同）

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\cline{i-j}

例如

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\begin{tabular}{|c|c|c|}
    \hline
    4 & 9 & 2 \\
    \cline{2-3}
    3 & 5 & 7 \\
    \cline{1-1}
    8 & 1 & 6 \\
    \hline
\end{tabular}

浮动体 table

tabular 很少直接使用，通常嵌入浮动体环境 table 中，用法与图片对应的 figure 环境类似。

例如

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\begin{table}[htbp]
    \centering
    \caption{Demo Table}\label{tab:demo}
    \begin{tabular}{|l|c|r|}
        \hline
        A   & B   & C   \\
        \hline
        AA  & BB  & CC  \\
        AAA & BBB & CCC \\
        \hline
    \end{tabular}
\end{table}

浮动规则 [htbp]、标题命令 \caption 与图片浮动体一致。

习惯上在浮动体中将图片的标题放置在下方，而表格的标题则放置在上方。

有时需要在表格下面添加一些简短的注释，可以在 table 环境内部使用脚注字体实现，例如

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\begin{table}[htbp]
    \centering
    \caption{Demo Table}\label{tab:demo}
    \begin{tabular}{|l|c|r|}
        \hline
        A   & B   & C   \\
        \hline
        AA  & BB  & CC  \\
        AAA & BBB & CCC \\
        \hline
    \end{tabular}

    \vspace{2ex}
    {\footnotesize xxx,yyyy,zzz}
\end{table}

合并单元格

表格排版的一个常见需求是合并单元格，包括横向合并与纵向合并。由于 LaTeX 默认按行生成表格，横向合并较为简单，纵向合并则更加复杂，需要额外的宏包支持。

拆分单元格也是一个基本需求，但是在实现上会更加复杂，建议尽量用单元格合并替代单元格拆分。

横向合并

使用 \multicolumn 命令即可完成单元格的横向合并，命令语法如下

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\multicolumn{<n>}{<alignment>}{<content>}

参数依次为合并的列数，格式以及内容。

例如

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\begin{table}[htbp]
    \centering
    \begin{tabular}{|c|c|c|}
        \hline
        1                        & 2                       & 3(Center) \\
        \hline
        \multicolumn{2}{|c|}{12} &
        \multicolumn{1}{r|}{3(Right)}                                  \\
        \hline
        1                        & \multicolumn{2}{c|}{23}             \\
        \hline
    \end{tabular}
\end{table}

形如 \multicolumn{1}{<column-spec>}{<item>} 的命令没有进行合并，但是可以用来局部调整某一个单元格的列格式。

纵向合并

纵向合并单元格的命令 \multirow 由 multirow 宏包提供

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\usepackage{multirow}

命令语法如下

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\multirow{<nrows>}{<width>}{<content>}

参数依次为合并的行数，宽度以及内容，宽度参数通常填 * 以使用自然宽度，在其它行被合并的单元格位置需要留空。

注意在涉及到纵向合并的位置，\hline 仍然穿越单元格，因此需要使用 \cline 替换。

例如

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\begin{table}[htbp]
    \centering
    \begin{tabular}{c|cc}
        \hline
        \multirow{2}{*}{S} & B1 & C1 \\
        \cline{2-3}
                           & B2 & C2 \\
        \hline
    \end{tabular}
\end{table}

有一个名称非常类似的宏包 multicol，但是它不是用在表格中，它提供的环境 multicols 用于在正文中创建多栏布局。

三线表

LaTeX 默认的表格线较粗、视觉效果一般，在某些领域更喜欢使用标准的三线表，可以使用 booktabs 宏包

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\usepackage{booktabs}

此时可以使用几种不同的横线：\toprule（顶线），\midrule（中线），\bottomrule（底线），顶线和底线相比中线更粗。例如

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\begin{table}[htbp]
    \centering
    \caption{Comparison of methods}\label{tab:compare}
    \begin{tabular}{lcc}
        \toprule
        Method & Accuracy & Time (s) \\
        \midrule
        A & 95.2 & 12.5 \\
        B & 93.8 & 10.9 \\
        \bottomrule
    \end{tabular}
\end{table}

在三线表中，不建议与竖线 | 混用，可以保持排版简洁。

其实这里的粗线和细线也可以通过 \hline[1pt] 和 \hline[0.6pt] 直接实现。

一些例子

下面提供一些更完整的表格例子。（参考 Tips for Writing a Research Paper using LaTeX）

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\begin{table}[htbp]
    \centering
    \caption{A simple table with a header row.}
    \label{tab:table1}
    \begin{tabular}{*{10}{c}}
        \toprule
        Data & Size              & 2-Exp & 3-Exp & 4-Exp & 5-Exp & 6-Exp & 7-Exp \\
        \midrule
        A    & $1280\times 720$  & 1     & 2     & 3     & 4     & 5     & 4     \\
        B    & $1280\times 720$  & 1     & 2     & 3     & 4     & 5     & 4     \\
        Ours & $4096\times 2168$ & 2     & 3     & 4     & 6     & 5     & 4     \\
        \bottomrule
    \end{tabular}
\end{table}
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\begin{table}[htbp]
    \centering
    \caption{A table with multi-column headers.}\label{tab:table2}

    \begin{tabular}{*{10}{c}}
        \toprule
             &                   & \multicolumn{2}{c}{$6-9$ frames} & \multicolumn{2}{c}{$5-7$ frames} & \multicolumn{2}{c}{$50-200$ frames}                         \\
        Data & Size              & 2-Exp                            & 3-Exp                            & 2-Exp                               & 3-Exp & 2-Exp & 3-Exp \\
        \midrule
        A    & $1280\times 720$  & 1                                & 2                                & 3                                   & 4     & 5     & 4     \\
        B    & $1280\times 720$  & 1                                & 2                                & 3                                   & 4     & 5     & 4     \\
        Ours & $4096\times 2168$ & 2                                & 3                                & 4                                   & 6     & 5     & 4     \\
        \bottomrule
    \end{tabular}
\end{table}
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% \usepackage{makecell}
\begin{table}[htbp]
    \centering
    \caption{A table with line break in the header. Line break is useful if the item name is too long.}
    \label{tab:table3}
    \begin{tabular}{*{10}{c}}
        \toprule
              &                   & \multicolumn{3}{c}{$6-9$ frames} & \multicolumn{3}{c}{$5-7$ frames}                 \\
        Data  & Size              & \makecell{2-Exp                                                                     \\ Scenes} &  \makecell{2-Exp \\ Scenes} &  \makecell{2-Exp \\ Scenes} &  \makecell{2-Exp \\ Scenes} &  \makecell{2-Exp \\ Scenes} &  \makecell{2-Exp \\ Scenes} \\
        \midrule
        A     & $1280\times 720$  & 1                                & 2                                & 3 & 4 & 5 & 4 \\
        B$^*$ & $1280\times 720$  & 1                                & 2                                & 3 & 4 & 5 & 4 \\
        Ours  & $4096\times 2168$ & 2                                & 3                                & 4 & 6 & 5 & 4 \\
        \bottomrule
    \end{tabular}

    \vspace{1em}
    \footnotesize ${^*}$ indicates that method B is trained from scratch.
\end{table}

这个例子使用了 \rowcolor 给表格指定的行加颜色，需要导入额外的宏包 colortbl。（如果直接包起来改颜色，对 & 的解析可能会出错）

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% \usepackage{colortbl}
\begin{table}[htbp]
    \centering
    \caption{A table with parallel lines for grouping and color highlight.}\label{tab:ablation_study}
    \begin{tabular}{*{2}{l}||*{2}{c}||*{2}{c}||*{2}{c}}
        \toprule
        \multicolumn{1}{c}{} & \multicolumn{1}{c||}{} & \multicolumn{2}{c||}{Synthetic Dataset} & \multicolumn{2}{c||}{Static Data} & \multicolumn{2}{c}{Dynamicgt Data}                                                    \\
        ID                   & Method                 & PSNRT                                   & VDP                               & PSNRT                              & VDP            & PSNRT          & VDP            \\
        \midrule
        0                    & ANet                   & 39.25                                   & 70.81                             & 40.62                              & 74.51          & 44.43          & 77.74          \\ %
        1                    & BNet                   & 39.69                                   & 70.95                             & 37.61                              & 75.30          & 43.70          & 78.97          \\
        \rowcolor{gray!30}
        2                    & ANet + BNet            & \textbf{40.34}                          & \textbf{71.79}                    & \textbf{41.18}                     & \textbf{76.15} & \textbf{45.46} & \textbf{79.09} \\
        \midrule
        3                    & ANet + BNet w/o C      & 39.72                                   & 71.38                             & 40.52                              & 74.79          & 45.09          & 78.24          \\ %
        4                    & ANet + BNet w/o D      & 40.03                                   & 71.66                             & 40.80                              & 76.12          & 45.17          & 78.99          \\ %
        \bottomrule
    \end{tabular}
\end{table}

列表

基本使用

无序列表 itemize，默认使用黑点

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\begin{itemize}
    \item First item
    \item Second item
\end{itemize}

有序列表 enumerate，默认使用 1. 编号

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\begin{enumerate}
    \item First item
    \item Second item
\end{enumerate}

\item 命令可以提供一个可选参数，用于将有序列表的编号或者无序列表的符号替换成自定义内容。

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\begin{enumerate}
    \item A nested item.\label{itref}
    \item[*] A starred item.
\end{enumerate}

还可以直接设置为空来删除符号（不影响缩进）

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\begin{enumerate}
    \item[] Item 1
    \item[] Item 2.
\end{enumerate}

两种列表支持嵌套，也可以互相嵌套

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\begin{enumerate}
    \item First
    \begin{itemize}
        \item Subitem 1
        \item Subitem 2
    \end{itemize}
    \item Second
\end{enumerate}

在各级列表中，对应的符号和编号样式也有所不同：

  • 无序列表：依次为黑色圆点，-，*，.；
  • 有序列表：依次为 1.，(a)，i.，A；
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\begin{multicols}{2}
    \begin{itemize}
        \item X1
        \item X2
              \begin{itemize}
                  \item X11
                  \item X12 \begin{itemize}
                            \item X121
                            \item X122 \begin{itemize}
                                      \item X1221
                                      \item X1222
                                  \end{itemize}
                        \end{itemize}
              \end{itemize}
    \end{itemize}
    \begin{enumerate}
        \item X1
        \item X2
              \begin{enumerate}
                  \item X11
                  \item X12 \begin{enumerate}
                            \item X121
                            \item X122 \begin{enumerate}
                                      \item X1221
                                      \item X1222
                                  \end{enumerate}
                        \end{enumerate}
              \end{enumerate}
    \end{enumerate}
\end{multicols}

补充：

  • 各级无序列表的符号由命令 \labelitemi 到 \labelitemiv 定义，可以简单地重新定义它们；
  • 各级有序列表的符号由命令 \labelenumi 到 \labelenumiv 定义，重新定义这些命令需要用到计数器。

除此之外，还有一个类似的关键字列表，此时 \item[] 的可选参数一般是必选的，并且会被加粗。（description的默认缩进看着非常奇怪，通常需要手动调整）

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\begin{description}[leftmargin=1cm]
    \item[Enumerate] Numbered list.
    \item[Itemize] Non-numbered list.
\end{description}

itemize、enumerate 和 description 环境都是基于广义列表环境 list 实现的。

修改列表样式

LaTeX 本身并未提供方便的列表样式定制功能，通常使用 enumitem 宏包定制。

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\usepackage{enumitem}

最基础的样式需求是修改列表编号和符号，可以通过 label=... 实现

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\begin{enumerate}[label=\arabic*.] % 1.
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{enumerate}

\begin{enumerate}[label=\alph*.] % a.
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{enumerate}

\begin{enumerate}[label=\roman*.] % i.
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{enumerate}

\begin{itemize}[label=\textbullet] % •
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{itemize}

\begin{itemize}[label=--] % –
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{itemize}

\begin{itemize}[label=\textasteriskcentered] % *
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{itemize}

如果给 enumitem 宏包加上 shortlabels 选项，就可以更简单地实现

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\begin{enumerate}[1.]
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{enumerate}

\begin{enumerate}[(a)]
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{enumerate}

\begin{enumerate}[i.]
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{enumerate}

\begin{itemize}[-]
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{itemize}

\begin{itemize}[*]
    \item Item 1
    \item Item 2
\end{itemize}

与缩进和空格相关的参数主要包括：

  • leftmargin 列表整体的左缩进
    • leftmargin=* 自动计算缩进，使列表与父环境左对齐，而不是固定缩进
  • topsep 列表与上下文段落的垂直间距
  • itemsep 每项之间的垂直间距

例如移除左缩进

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\begin{enumerate}[leftmargin=*]
    \item Item 1
    \item Item 2
    \item Item 3
\end{enumerate}

移除各项之间的垂直间距

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\begin{enumerate}[itemsep=0pt]
    \item Item 1
    \item Item 2
    \item Item 3
\end{enumerate}

对于嵌套列表，可以为每层嵌套单独调整 leftmargin，避免缩进过深或过浅。

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\begin{enumerate}
    \item First
    \begin{itemize}[leftmargin=1.5em]
        \item Subitem 1
        \item Subitem 2
    \end{itemize}
    \item Second
\end{enumerate}

可以使用 \setlist 命令对列表样式进行全局配置。

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\usepackage{enumitem}

\setlist[itemize]{label=--, leftmargin=2em, itemsep=0.5em}
\setlist[enumerate]{label=\arabic*., leftmargin=2em, itemsep=0.3em}

算法环境 algorithm2e

介绍

在LaTeX中使用伪代码来描述算法是常见的需求，LaTeX其实有很多类似名称的宏包，简单辨析一下：（参考latex 中 algorithm、algorithmic、algorithmicx、algorithm2e 的区别）

  • algorithm 用来封装算法：给算法加上标题（caption）和标签（label），方便进行索引；
  • algorithmic 相当于算法的内容物；
  • algorithmicx 相当于 algorithmic 的升级版；
  • algpseudocode 是 algorithmicx 的一种呈现方式，完整包含了algorithmicx；
  • algorithm2e 和 algorithmicx、algorithmic 类似，也是用来描述算法的；但是其语法不如 algorithmicx 直白。

总得来说，通常有两条路线可以选择：

  1. 用algorithm2e宏包搞定
  2. 用algpseudocode或algorithmic等撰写算法本身，再用algorithm包给算法加标题

本文主要考虑第一个方式——使用algorithm2e宏包。

在导入algorithm2e宏包时，通常会顺便加上一些选项，例如

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\usepackage[ruled,linesnumbered,noline]{algorithm2e}
% ruled 上下添加横线，类似于三线表，此时标题在上面
% linesnumbered 显示行数
% noline 关闭默认体现层级的竖线

算法环境的主体框架如下，通常会添加标题（caption）和标签（label）

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\begin{algorithm}
    \caption{XXX}\label{alg1}

    ...

\end{algorithm}

一个简单的例子：欧几里得算法

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\documentclass{article}
\usepackage[ruled,linesnumbered,noline]{algorithm2e}

\begin{document}

\begin{algorithm}
    \caption{Euclid's algorithm}
    \KwData{Two nonnegative integers $a$ and $b$}
    \KwResult{Their greatest common divisor $d = \gcd(a, b)$}
    \While{$b \neq 0$}{
        $r \leftarrow a \bmod b$\;
        $a \leftarrow b$\;
        $b \leftarrow r$\;
    }
    $d \leftarrow a$\;
\end{algorithm}

\end{document}

在导入时使用[ruled,linesnumbered,noline]选项，得到的效果如下图

与之相比，使用默认选项的效果就差很多，并不符合文献中的主流风格

基本使用

以欧几里得算法为例

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\begin{algorithm}
    \caption{Euclid's algorithm}
    \KwData{Two nonnegative integers $a$ and $b$}
    \KwResult{Their greatest common divisor $d = \gcd(a, b)$}
    \While{$b \neq 0$}{
        $r \leftarrow a \bmod b$\;
        $a \leftarrow b$\;
        $b \leftarrow r$\;
    }
    $d \leftarrow a$\;
\end{algorithm}

在算法环境中，每一行语句可以使用\;结尾，这会在文本中加上分号结尾并换行，还可以使用\\强行换行。
除此之外，下面的某些固定语法结构也会导致换行。
算法内部需要数学表达式时，仍然需要$$等来创建数学环境。

算法通常需要使用下面这些预定义宏：

  • IO：
    • 输入：\KwIn{<input>}
    • 数据：\KwData{<input>}
    • 输出：\KwOut{<output>}
    • 结果：\KwResult{<output>}
  • 基础：
    • to: \KwTo
    • 返回值：\KeRet{<value>}或等效的\Return{<value>}
  • 循环：包括下面几种形式，其中含l-前缀的版本是行内形式，即内部不产生换行（但结尾仍然有换行）
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\For{<condition>}{<text loop>}
\While{<condition>}{<text loop>}
\ForEach{<condition>}{<text loop>}
\ForAll{<condition>}{<text loop>}

\lFor{<condition>}{<text loop>}
\lWhile{<condition>}{<text loop>}
\lForEach{<condition>}{<text loop>}
\lForAll{<condition>}{<text loop>}
  • 条件：包括下面几种形式，默认形式会产生换行并使用end结尾；含l-前缀的版本是行内形式，即内部不产生换行（但结尾仍然有换行）；含e-前缀的eIf自带真假两个分支；含u-前缀的版本是未完成形式，即结尾不含end，需要搭配其他命令来收尾
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\If{<condition>}{<then block>}
\ElseIf{<elseif block>}{<then block>}
\Else{<else block>}

\lIf{<condition>}{<then block>}
\lElseIf{<elseif block>}{<then block>}
\lElse{<else block>}

\uIf{<condition>}{<then block>}
\uElseIf{<elseif block>}{<then block>}
\uElse{<else block>}

\eIf{<condition>}{<then block>}{<else block>}

\leIf{<condition>}{<then block>}{<else block>}
  • 注释：默认支持两类注释，即tcc（C语言风格/**/）和tcp（C++风格//）注释，有几个选项会调整注释的细节，这里略去
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\tcc{<comment>}
\tcc*{<comment>}
\tcc*[r]{<comment>}
\tcc*[l]{<comment>}
\tcc*[h]{<comment>}
\tcc*[f]{<comment>}

\tcp{<comment>}
\tcp*{<comment>}
\tcp*[r]{<comment>}
\tcp*[l]{<comment>}
\tcp*[h]{<comment>}
\tcp*[f]{<comment>}

对于循环和条件结构的呈现，还涉及到如下几个选项：

  • lined：伪代码的 start-end 之间用竖线相连
  • vlined：伪代码的 start-end 之间用竖折线相连，其中折线代替了end的作用
  • noline：伪代码的 start-end 之间没有线相连

这几个选项既可以在宏包选项中设置，也可以使用下面的命令设置

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\SetAlgoLined
\SetAlgoVlined
\SetAlgoNoline

在循环和条件结构中，都支持加上括号包裹的注释选项，例如

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\lIf(\tcc*[h]{lif comment}){test}{
    text
}
\uIf(\tcc*[f]{uif comment}){test}{
    then text\;
}
\uElseIf(\tcc*[f]{comment}){test}{
    elseif text\;
}
\lElseIf(\tcc*[h]{comment}){test}{
    text
}
\lElse(\tcc*[f]{comment}){text}

宏包还支持自定义一些宏，例如下面定义了与IO宏类似的一个命令\KwPara{<input>}，代表算法需要的各种细节参数

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\SetKwInput{KwPara}{Parameter}

\KwPara{m,n,$\varepsilon$}

除了这个宏包之外，还可以使用其他方式来实现，例如导入algorithm和algpseudocode这两个宏包，本文暂不讨论具体细节，不过可以明确的是，它的命令风格与algorithm2e是截然不同的。

抄录环境 verbatim

LaTeX直接提供verbatim抄录环境，在其中以等宽字体按照原样排版代码，回车和空格都是正常的换行和空位的作用，缩进也是原样保留的。使用示例如下

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\begin{verbatim}
#include <iostream>
int main()
{
    std::cout << "Hello, world!\n";
    return 0;
}
\end{verbatim}

效果如下图

注意这不是代码环境，因为它只是忠实地保持原样输出，并没有提供常见的语法高亮功能。
还有与之类似的verbatim*环境，它更进一步将空格显示为␣。

与之类似的，还有展示行内抄录片段或关键字的\verb命令

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\verb<delim><code><delim>

与常见的命令不同，\verb需要提供自定义的分界符delim来标明代码的前后分界位置，要求前后分界符必须一致，除字母、空格或星号外，可任意选择不与代码自身冲突的符号（习惯上可以使用|符号），例如

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\verb|a\ b|         % 使用|作为分界符 a\ b

\verb+(a || b)+     % 使用+作为分界符 (a || b)

\verb+\ldots+       % 使用+作为分界符 \ldots

代码环境 listings

介绍

这里指的是展示编程语言的源代码片段的环境，与前面的算法环境/抄录环境都是不一样的。

listings宏包是一个功能强大也非常复杂的宏包，用于提供特定编程语言的语法高亮。

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\usepackage{listings}

下面是最简单的例子，在文档中展示了一段Python代码

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\documentclass{article}
\usepackage{listings}

\begin{document}

\begin{lstlisting}[language=Python, caption=Demo]
def helloworld():
    print("Hello, world!")

helloworld()
\end{lstlisting}

\end{document}

效果如下图（具体效果可能和不同的编译器有关，下图是使用xelatex编译的结果）

除了listings，minted宏包是另一种常见语法高亮方案，它基于Python提供的支持进行语法高亮，在编译时需要传入特殊的选项-shell-escape，暂略。

基本使用

listings宏包最主要的用法是使用lstlisting环境导入代码片段

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\begin{lstlisting}
    <codes>
\end{lstlisting}

可以加上一些选项，例如指定语言

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\begin{lstlisting}[language=Python]
    <codes>
\end{lstlisting}

提供的语言类型会被用于识别关键字、字符串、注释等，进而影响具体的显示效果。

listings宏包还支持从源代码文件中直接导入代码，需要使用专门的\lstinputlisting命令

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\lstinputlisting[language=Python]{main.py}

\lstinputlisting命令默认会导入所有代码，可以设置起止行号来导入源文件中的部分片段

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\lstinputlisting[language=Python, firstline=2, lastline=12]{main.py}

补充：\lstlistoflistings命令会将所有添加caption的代码片段生成代码目录。

除此之外，listings宏包还提供\lstinline命令用于行内代码片段展示：\lstinline|<codes>|。
与\verb命令类似，它的分界符可以是任意的，从而避免与代码中的字符冲突，例如

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\lstinline!var i:integer;!

\lstinline|int x=1;|

配置

listings宏包默认的显示效果很丑，需要经过一番配置才能达到美观的语法高亮显示效果。
配置既可以在具体的环境开头指定，也可以在导言区进行全局默认设置。

对于具体环境的配置通过可选参数给出，例如

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\begin{lstlisting}[
    language=Python,    % 语言
    numbers=left,       % 行号显示位置
    firstnumber=1       % 行号开始
]
# Python
def hello():
    print("Hello, world!")

hello()
\end{lstlisting}

在导言区进行全局默认配置，也就是修改默认样式，例如

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\lstset{
    language=Python,                                    % 设置语言
    columns = fixed,                                    % 列距排版
    basicstyle = \linespread{0.8} \ttfamily,            % 设置行距，字体
    numbers = left,                                     % 行号显示设置
    frame = single,                                     % 背景边框
    showstringspaces = false,                           % 字符串中的空格显示
}

此时就不需要在每个环境中进行配置了。

除此之外，还可以重新定义一套新的样式（而非修改默认样式），例如针对特定的语言进行配置

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\lstdefinestyle{cppStyle}{
    ...
}

对自定义样式的使用通过style选项指定

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\begin{lstlisting}[style=cppStyle]
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Hello, world!\n";
    return 0;
}
\end{lstlisting}

还可以在导言区使用下面的命令将新定义的样式设置为默认样式

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\lstset{style=cppStyle}

在更丰富的配置中通常会搭配使用xcolor宏包，定义新的颜色用于代码高亮，例如

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\usepackage{xcolor}

\definecolor{dkgreen}{rgb}{0,0.6,0}
\definecolor{gray}{rgb}{0.5,0.5,0.5}
\definecolor{mauve}{rgb}{0.58,0,0.82}

\definecolor{epubblue}{RGB}{1,126,218}

颜色的使用例如\color{gray}。注意上面的小写rgb接受的参数为0-1的小数值，而大写RGB接受的是0-256的整数值。

下面是listings宏包支持的常见配置选项：

  • 语言设置：language=Python,C++，支持多个语言，注意C++的名称要用C++而非Cpp
  • 基本样式设置basicstyle = \ttfamliy，这是指定等宽字体（符合编程习惯）
  • 样式：主要是颜色和字体设置，针对关键词，字符串和注释
    • 关键字样式：keywordstyle=\bfseries \color[RGB]{40,40,255}，通常指定一个颜色
    • 注释样式：commentstyle=\color[RGB]{0,96,96}, 通常指定一个颜色
    • 字符串样式：stringstyle=\color[RGB]{128,0,0}, 通常指定一个颜色
    • 行号样式：numberstyle=\footnotesize，这可以让行号的字体更小一点
    • 标识符样式：identifierstyle=\color{black}，标识符的颜色字体等
  • 补充关键词：morekeywords={eg1,eg2}，这可以加入自定义关键词，默认的不太全
  • 自动换行：breaklines=true，建议，否则过长的行会直接截断！
  • 行号显示：
    • 是否显示行号：numbers=left，支持left/right/none，默认为none不显示
    • 间隔多少行显示行号：stepnumber=5
    • 行号起始：firstnumber=10，设置为last则继承上一个代码环境的行号
  • 列间距设置：columns=flexible，让不同列之间的距离自适应，反之可以使用fixed设置固定距离
  • 字符串中的空格显示：showstringspaces=false，否则默认会对字符串内的空格显示下划线␣
  • tab与缩进：
    • 突出显示tab：showtabs=true，会将tab显示为长的下划线，默认不显示（只展示连续空格）
    • tab长度：tabsize=8，默认长度为8个空格
  • 边框：frame=single，single显示单边框，shadowbox为阴影框，默认是none无边框
  • 背景颜色：backgroundcolor=xxx
  • 代码块标记：name=xxx，同名的代码块行号会自动延续
  • 代码块显示名称：caption=Name，还可以指定名称的显示位置（默认在顶部），例如captionpos=b改在底部，caption会自动编号，如果不需要编号，可以使用title=xxx，如果同时出现则会显示后设置的项
  • 忽略部分字符以支持latex命令：escapeinside={\%*}{*)}

下面是一份参考的语法高亮配置

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\usepackage{listings}
\usepackage{xcolor}

\lstdefinestyle{simpleStyle}{
    basicstyle=\ttfamily\small,             % 设置字体族
    breaklines=true,                        % 自动换行
    keywordstyle=\color{blue},              % 关键字样式
    identifierstyle=\color{black},          % 标识符样式
    stringstyle=\color{violet},             % 字符串样式
    commentstyle=\color[RGB]{34,139,34},    % 注释样式
    showstringspaces=false,                 % 不显示字符串中的空格
    numbers=left,                           % 显示行号在左边
    numbersep=2em,                          % 设置行号的具体位置
    numberstyle=\footnotesize,              % 缩小行号
    frame=single,                           % 边框
    framesep=1em,                           % 设置代码与边框的距离
}

\lstset{style=simpleStyle}

这里并没有指定语言，因此每一个代码块必须要指定语言才能有更好的显示效果。

下面依次是MATLAB，Python，C的使用示例以及对应的显示效果。

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\begin{lstlisting}[language=Matlab, caption=MATLAB Example]
% Call function to compute first 10 terms
fibonacci(10);

function fibonacci(n)
    % Calculate the first n Fibonacci numbers
    fib = zeros(1, n); % Initialize array
    fib(1) = 0;        % First term
    if n > 1
        fib(2) = 1;    % Second term
    end

    for i = 3:n
        fib(i) = fib(i-1) + fib(i-2); % Current term
    end

    % Display results
    fprintf('First %d Fibonacci numbers:\n', n);
    disp(fib);
end
\end{lstlisting}
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\begin{lstlisting}[language=Python, caption=Python Example]
def fibonacci(n):
    """Calculate the Fibonacci sequence up to n."""
    fib = [0, 1]  # Initialize the list
    while len(fib) < n:
        fib.append(fib[-1] + fib[-2])  # Append the next Fibonacci number
    return fib

# Get user input
num = int(input("Enter the number of terms: "))
result = fibonacci(num)

# Display the result
print(f"The first {num} Fibonacci numbers are: {result}")

\end{lstlisting}
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\begin{lstlisting}[language=C, caption=C Example]
#include <stdio.h>

void fibonacci(int n) {
    // Calculate Fibonacci numbers up to n
    int fib[n];
    fib[0] = 0;
    fib[1] = 1;

    for (int i = 2; i < n; i++) {
        fib[i] = fib[i - 1] + fib[i - 2]; // Calculate the next Fibonacci number
    }

    // Print the results
    printf("The first %d Fibonacci numbers are:\n", n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", fib[i]);
    }
    printf("\n");
}
\end{lstlisting}

hyperref 宏包使用

使用 hyperref 宏包可以定制交叉引用和超链接样式。

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\usepackage{hyperref}

这个宏包容易和其它宏包产生冲突，建议将其放在靠后的位置导入，否则可能导致跳转错误。

可以用下面的命令生成可点击的超链接

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\url{url}
\url{https://www.baidu.com}

可以在添加超链接时，设置显示的文本内容

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\href{url}{text}
\href{https://www.baidu.com}{Baidu}

可以用下面的命令设置样式

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\hypersetup{colorlinks=true,linkcolor=,urlcolor=cyan}

也可以在宏包加载时直接传递样式选项

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\usepackage[colorlinks=true,linkcolor=,urlcolor=cyan]{hyperref}

解释一下几个常见的选项：

选项 含义 说明
colorlinks 是否用颜色标记链接（若为 false，则显示彩色方框） 建议设为 true，避免方框，默认 false
linkcolor 内部链接颜色（章节、图表、公式等引用） 控制 \ref、\autoref 等颜色
citecolor 文献引用颜色 控制 \cite 链接颜色
urlcolor URL 链接颜色 控制 \url、\href 等外部链接
filecolor 文件链接颜色 用于指向本地文件的链接
hidelinks 隐藏所有颜色与边框 适合正式论文或投稿版本

需要特别注意的是：如果在章节标题（例如 \section{...}）中使用复杂数学符号（例如 $\mathbb{S}^2$），可能导致编译卡死。

例如

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\section{Three Spatial Dimensions with Directions on $\mathbb{S}^2$}

编译过程卡死的原因不是标题不支持，而是 PDF 书签不支持，hyperref 宏包会自动生成 PDF 标签。
解决方案：尽量避免在各级标题中使用数学符号；如果必须要在标题中使用复杂数学符号，可以用 hyperref 宏包提供的 \texorpdfstring 命令，原理很简单——给复杂数学公式提供一个简单文本的替代品，hyperref 在生成书签时会使用替代品。

例如

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\section{Three Spatial Dimensions with Directions on \texorpdfstring{$\mathbb{S}^2$}{S2}}

此时在正文和目录中仍然会显示复杂数学符号，但是在 PDF 书签中会显示更简单的替代文本。

水印与标记

PDF 水印

给PDF文件加上水印是一个常见的需求，比如标记文档的来源，或者标记当前版本为草稿等。

可以使用 draftwatermark 宏包实现

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\usepackage{draftwatermark}

导入这个宏包就会默认在每一页的中央添加倾斜的水印 DRAFT。

测试发现 pdflatex 进行编译可能无法添加水印，或者水印显示异常，因此最好使用 xelatex。

可以调整水印的样式（内容，颜色，大小等）

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\DraftwatermarkOptions{text={Draft},color={[gray]{0.9}},scale=0.5}

可以在水印中添加编译时间以区别不同版本

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\usepackage{datetime2}
\usepackage[firstpageonly]{draftwatermark}

\DraftwatermarkOptions{text={Update: \DTMnow},color={[gray]{0.95}},scale=0.3}

也可以在导入宏包时全部作为参数传递

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\usepackage{datetime2}
\usepackage[firstpageonly,text={Update: \DTMnow},color={[gray]{0.95}},scale=0.3]{draftwatermark}

注意：

  • 默认给所有页加水印，导入宏包时可以加参数 firstpage 只在第一页添加水印；
  • 水印的文字只会在页面中央出现一次，不会循环出现；
  • 水印不会遮盖图片，图片会出现在水印的上层。

多人批注标记

在多人协作编辑 LaTeX 文档时，可以给每个人定义一个专属的批注命令，便于区分。

例如

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\newcommand{\li}[1]{{\color{red}{[(Li): #1]}}}
\newcommand{\wang}[1]{{\color{blue}{[(Wang): #1]}}}

在正文中使用 \li{xxx} 即可在添加段内批注。

还可以使用 \marginpar{xxx} 添加页边批注，或者基于下面的 todonotes 宏包进行封装。

待办标记

LaTeX有一个todonotes宏包，可以用来进行一些标注

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\usepackage{todonotes}

在指定位置使用\todo{xxx}即可在页边加上备注，并且使用横线指向对应位置。
它还提供了一个命令可以生成默认图片在排版中起到占位的效果。

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\missingfigure{xxx.}

可以给\todo{xxx}或者宏包传递颜色参数，例如

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\usepackage[color=green]{todonotes}

\todo[color=green]{xxx}

\todo命令最好直接放在正文中，直接放在一些特殊环境中（例如图表环境的caption，定理环境等）容易导致编译错误，可以加上 inline 选项，例如

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\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics{demo.png}
    \caption{Title \todo[inline]{xxx.}}
\end{figure}

传递disable选项可以直接全局注释所有的标注

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\usepackage[disable]{todonotes}

注意：todonotes 的颜色支持依赖 xcolor 包，如果需要在导入 xcolor 包时传递选项，最好在 todonotes 之前手动导入 xcolor 包。

特殊页面需求

护眼色背景

对于非正式的笔记中，我们可以不选择使用标准的白色背景，而是改成护眼色，可以使用 xcolor 宏包的 \pagecolor 命令实现，例如

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\pagecolor{LimeGreen!15}

还有几种取自 ElegantNote 的护眼色方案可以参考

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\definecolor{geyecolor}{RGB}{199,237,204}
\pagecolor{geyecolor}

\definecolor{geyecolor}{RGB}{251,250,248}
\pagecolor{geyecolor}

\definecolor{geyecolor}{RGB}{250,237,225}
\pagecolor{geyecolor}

特殊页面尺寸

下面是一种适合 iPad 竖屏阅读的页面尺寸

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\usepackage{geometry}
\geometry{
    paperwidth=7in,
    paperheight=10in,
    includefoot,
    margin=8mm}

下面是一个横版的 A4 纸布局尺寸，可以用于在大屏幕中分享，但又不适合 beamer 的情景

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\documentclass[17pt]{extarticle}
\geometry{
    a4paper,
    landscape,
    includefoot,
    margin=14mm}
\usepackage{setspace}
\setstretch{1.2} % 设置行距
\setlength{\parindent}{0pt} % 取消缩进
\renewcommand{\familydefault}{\sfdefault} % 设置无衬线字体

这里对远距离的屏幕阅读做了一些专门的优化：使用大字体以及支持大字体的 extarticle 文档类，调整行距和缩进，设置无衬线字体。