LaTeX 公式入门指南

版本号: V1.6.6

编者
中山大学 易鹏
华南理工大学 关舒文

1 公式环境

无论使用哪种公式,都请在文档的导言区加上amsmath宏包,即\usepackage{amsmath}.

1.1 行间公式

行间公式是指单独开一行来专门放置公式. 有三种方式:

  • 使用双美元符号
  • 使用\[ \]
  • 使用equation环境
    1
    2
    $$ x^2+2x+1=0 $$
    \[ x^2+2x+1=0 \]
    其编译结果为[ x^2+2x+1=0 ]
    1
    2
    3
    \begin{equation}
    x^2+2x+1=0
    \end{equation}
    其编译结果为从上面两个编译结果来看,明显的,equation环境比直接使用;$&#36 ;$&#36多了自动编号功能,如果后面习惯了用equation环境而不想某个公式自动编号,则使用equation*环境,例如
    1
    2
    3
    \begin{equation*}
    x^2+2x+1=0
    \end{equation*}
    其编译结果为对于equation环境还可以对公式进行标签和引用,例如
    1
    2
    3
    4
    5
    \begin{equation} \label{eq1} %设置标签,方便引用
    x^2+2x+1=0
    \end{equation}
    公式\eqref{eq1}是自动编号的.
    公式\ref{eq1}是自动编号的.

公式\eqref{eq1}是自动编号的.
公式\ref{eq1}是自动编号的.
公式的引用需要在equation环境中预先标签\label{XXX},后面引用的时候用\eqref{XXX}\ref{XXX},它们的区别在于有没有(),后者常用于定理环境的引用,前者常用于公式环境,这两个XXX要一致(一个空格也不能差).

对于使用双美元符号和使用\[ \],在LaTeX2e中我们较为推荐使用中括号的写法,这对间隔控制更友好.后者在定义上基本与equation*环境等价/

1.2 行内公式

顾名思义,行内公式就是公式和文字混排在一起,这个时候只需使用,例如

1
物体的动能为$E=\frac{1}{2}mv^2$.

其编译结果为

物体的动能为$E={\scriptsize\frac{1}{2}}mv^2$.

你会发现1/2变小了,这是LaTex在排版时为了让公式美观,更贴合文字的大小,所以调小了1/2的大小,如果你想使得行内公式的显示和行间公式一样,则在公式的最前面添加\displaystyle即可,例如

1
物体的动能为$\displaystyle E=\frac{1}{2}mv^2$.

其编译结果为
物体的动能为$E=\frac{1}{2}mv^2$.

2 公式的基本输入

2.1 上下标

^ 表示上标, _ 表示下标.如果上下标的内容多于一个字符,需要用 {} 将这些内容括成一个整体.上下标可以嵌套,也可以同时使用.例如

1
$$ x^{y^z}=(1+{\rm e}^x)^{-2xy^w} $$

其编译结果为

如果要在左右两边都有上下标,可以用\sideset命令.
例如

1
$$ \Delta S=S_2-S_1=\sideset{_R}{_{1}^{2}}{\int}\frac{\rm{d} Q}{T} $$

其编译结果为

从这个例子我们可以看出来,\sideset的用法

1
\sideset{左边的上下标}{右边的上下标}{被标号的部分}`

2.2 括号和分隔符

()[]| 表示符号本身,使用 \{\}(转义字符) 来表示 {} .当要显示大号的括号或分隔符时,要用 \left\right 命令使得括号的大小与公式高度匹配.

一些特殊的括号:

输入 显示 输入 显示
\langle $\langle$ \rangle $\rangle$
\lceil $\lceil$ \rceil $\rceil$
\lfloor $\lfloor$ \rfloor $\rfloor$
\lbrace $\lbrace$ \rbrace $\rbrace$

例如:

1
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3
$$
f(x,y,z) = 3y^2z \left( 3+\frac{7x+5}{1+y^2} \right)
$$

其编译结果为

注意:\left\right要同时使用,所以当使用单边括号的时候要用 \left.\right. 作为不显示括号的一侧.

例如:

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6
$$
\left. \frac{{\rm d}u}{{\rm d}x} \right| _{x=0}
$$
$$
\left[ 1,\frac 12 \right)
$$

其编译结果为

如果你需要将行内显示的分隔符也根据高度自动调整,可以使用 \middle 命令,例如

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$$
\left\langle
q
\middle\|
\frac{\frac{x}{y}}{\frac{u}{v}}
\middle|
p
\right\rangle
$$



其编译结果为

2.3 分数

通常使用 \frac {分子} {分母} 命令产生一个分数,分数可嵌套.
便捷情况(当分子和分母都仅有一个字符的情况)可直接输入 \frac ab 来快速生成一个 $\frac ab$(这种方法不仅适用于\frac) .
如果分式很复杂,亦可使用 {分子 \over 分母} 命令(不建议),此时分数仅有一层.

例如:

1
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3
$$
\frac{a-1}{b-1} \quad and \quad {a+1\over b+1}
$$

其编译结果为

对于行间公式环境中的分数,我们不仅可以使用\displaystyle以产生跨行的分数,还可以时使用\dfrac
例如:

1
小的$ \frac 12 $和大的$\dfrac 12 $

其编译结果为
小的$ \frac 12 $和大的$\dfrac 12 $

注意在行间公式环境中,第一层分数将会以\displaystyle显示,第二层将以\textstyle,字体大小逐级递减, 故若需要创建大小一致的分数形式,请使用不会改变字体显示样式的\cfact(详见下文连分数)

2.4 开方

使用 \sqrt [根指数,省略时为2] {被开方数} 命令输入开方. 同时\sqrt命令亦可以使用简略的书写方法,但根指数依然要使用中括号.

例如:

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6
$$
\sqrt{2} \quad and \quad \sqrt[n]{3}
$$
$$
\sqrt[n]m
$$

其编译结果为

2.5 省略号与点

省略号常用于矩阵环境和列举环境.

输入 显示 说明
\cdot $\cdot$ 点乘
\cdots $\cdots$ 水平省略号
\vdots $\vdots$ 竖直省略号
\ddots $\ddots$ 对角省略号
\ldots $\ldots$ 跟文本底线对齐

例如:

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3
$$
f(x_1,x_2,\underbrace{\ldots}_{\rm ldots} ,x_n) = x_1^2 + x_2^2 + \underbrace{\cdots}_{\rm cdots} + x_n^2
$$

其编译结果为

2.6 矢量与方向

使用 \vec{矢量} 来自动产生一个矢量.也可以使用 \overrightarrow 生成自动根据内容调节长度的向量箭头

例如:

1
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6
$$
\vec{a} \cdot \vec{b}=0
$$
$$
\overrightarrow{ABCD}, \vec{ABCD}
$$

其编译结果为

例如:

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2
3
$$
\overleftarrow{xy} \quad and \quad \overleftrightarrow{xy} \quad and \quad \overrightarrow{xy}
$$

其编译结果为

2.7 积分

使用 \int_{积分下限}^{积分上限} {被积表达式} 来输入一个积分.多重积分使用\iint或者其他.

例如:

1
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3
$$
\int_0^1 {x^2} \,{\rm d}x
$$

其编译结果为

本例中{\rm }表示对括号部分的公式取消斜体,\,表示一个小空格, 根据IEEE出版物规定,建议使用正体微分符号,被积变量与被积函数之间以空格相隔.

2.8 极限

使用 \lim_{变量 \to 表达式} 表达式 来输入一个极限.如有需求,可以更改 \to 符号至任意符号.

例如:

1
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3
$$ 
\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n(n+1)} \quad and \quad \lim_{x\leftarrow{示例}} \frac{1}{n(n+1)}
$$

其编译结果为

有时候我们可能会用到多重极限或者具有层叠结构的数学表达式,这时候我们可以使用\atop命令来构造层叠结构

1
$$ \lim_{z\to 0 \atop z\in D}f(x,y)$$

其编译结果为

对于积分符号也同样适用

1
$$ \iint\limits_{-1<x<1>\atop -1<y<1}f(x,y)\,{\rm d} x $$

\limits命令可以实现将下标放在符号正下方的功能.

2.9 累加、累乘运算

使用 \sum_{下标表达式}^{上标表达式} {累加表达式} 来输入一个累加.
与之类似,使用 \prod \bigcup \bigcap 来分别输入累乘、并集和交集.
此类符号在行内显示时上下标表达式将会移至右上角和右下角.

  • 例子:

    1
    2
    3
    $$
    \sum_{i=1}^n \frac{1}{i^2} \quad and \quad \prod_{i=1}^n \frac{1}{i^2} \quad and \quad \bigcup_{i=1}^{2} R
    $$
  • 显示:

2.10 希腊字母

输入 \小写希腊字母英文全称\首字母大写希腊字母英文全称 来分别输入小写和大写希腊字母.
对于大写希腊字母与现有字母相同的,直接输入大写字母即可.

输入 显示 输入 显示 输入 显示 输入 显示
\alpha $\alpha$ A $A$ \beta $\beta$ B $B$
\gamma $\gamma$ \Gamma $\Gamma$ \delta $\delta$ \Delta $\Delta$
\epsilon $\epsilon$ E $E$ \zeta $\zeta$ Z $Z$
\eta $\eta$ H $H$ \theta $\theta$ \Theta $\Theta$
\iota $\iota$ I $I$ \kappa $\kappa$ K $K$
\lambda $\lambda$ \Lambda $\Lambda$ \mu $\mu$ M $M$
\nu $\nu$ N $N$ \xi $\xi$ \Xi $\Xi$
o $o$ O $O$ \pi $\pi$ \Pi $\Pi$
\rho $\rho$ P $P$ \sigma $\sigma$ \Sigma $\Sigma$
\tau $\tau$ T $T$ \upsilon $\upsilon$ \Upsilon $\Upsilon$
\phi $\phi$ \Phi $\Phi$ \chi $\chi$ X $X$
\psi $\psi$ \Psi $\Psi$ \omega $\omega$ \Omega $\Omega$

部分字母有变量专用形式,以 \var- 开头.

小写形式 大写形式 变量形式 显示
\epsilon E \varepsilon $\epsilon \mid E \mid \varepsilon$
\theta \Theta \vartheta $\theta \mid \Theta \mid \vartheta$
\rho P \varrho $\rho \mid P \mid \varrho$
\sigma \Sigma \varsigma $\sigma \mid \Sigma \mid \varsigma$
\phi \Phi \varphi $\phi \mid \Phi \mid \varphi$

2.11 其它特殊字符

若需要显示更大或更小的字符,在符号前插入 \large\small 命令.

若找不到需要的符号,使用 $\rm{Detexify}$ 来画出想要的符号.

也可以在LaTex自带的宏包说明中找到相应的符号,见附件.

1.关系运算符

输入 显示 输入 显示 输入 显示 输入 显示
\pm $\pm$ \times $\times$ \div $\div$ \mid $\mid$
\nmid $\nmid$ \cdot $\cdot$ \circ $\circ$ \ast $\ast$
\bigodot $\bigodot$ \bigotimes $\bigotimes$ \bigoplus $\bigoplus$ \leq $\leq$
\geq $\geq$ \neq $\neq$ \approx $\approx$ \equiv $\equiv$
\sum $\sum$ \prod $\prod$ \coprod $\coprod$ \backslash $\backslash$

2.集合运算符

输入 显示 输入 显示 输入 显示
\emptyset $\emptyset$ \in $\in$ \notin $\notin$
\subset $\subset$ \supset $\supset$ \subseteq $\subseteq$
\supseteq $\supseteq$ \bigcap $\bigcap$ \bigcup $\bigcup$
\bigvee $\bigvee$ \bigwedge $\bigwedge$ \biguplus $\biguplus$

3.对数运算符

输入 显示 输入 显示 输入 显示
\log $\log$ \lg $\lg$ \ln $\ln$

4.三角运算符

输入 显示 输入 显示 输入 显示
30^\circ $30^\circ$ \bot $\bot$ \angle A $\angle A$
\sin $\sin$ \cos $\cos$ \tan $\tan$
\csc $\csc$ \sec $\sec$ \cot $\cot$

5.微积分运算符

输入 显示 输入 显示 输入 显示
\int $\int$ \iint $\iint$ \iiint $\iiint$
\iiiint $\iiiint$ \oint $\oint$ \prime $\prime$
\lim $\lim$ \infty $\infty$ \nabla $\nabla$

6.逻辑运算符

输入 显示 输入 显示 输入 显示
\because $\because$ \therefore $\therefore$
\forall $\forall$ \exists $\exists$ \not\subset $\not\subset$
\not< $\not<$ \not> $\not>$ \not= $\not=$

7.戴帽符号

输入 显示 输入 显示
\hat{xy} $\hat{xy}$ \widehat{xyz} $\widehat{xyz}$
\tilde{xy} $\tilde{xy}$ \widetilde{xyz} $\widetilde{xyz}$
\check{x} $\check{x}$ \breve{y} $\breve{y}$
\grave{x} $\grave{x}$ \acute{y} $\acute{y}$

8.连线符号

输入 显示
\fbox{a+b+c+d} $\fbox{a+b+c+d}$
\overleftarrow{a+b+c+d} $\overleftarrow{a+b+c+d}$
\overrightarrow{a+b+c+d} $\overrightarrow{a+b+c+d}$
\overleftrightarrow{a+b+c+d} $\overleftrightarrow{a+b+c+d}$
\underleftarrow{a+b+c+d} $\underleftarrow{a+b+c+d}$
\underrightarrow{a+b+c+d} $\underrightarrow{a+b+c+d}$
\underleftrightarrow{a+b+c+d} $\underleftrightarrow{a+b+c+d}$
\overline{a+b+c+d} $\overline{a+b+c+d}$
\underline{a+b+c+d} $\underline{a+b+c+d}$
\overbrace{a+b+c+d}^{Sample} $\overbrace{a+b+c+d}^{Sample}$
\underbrace{a+b+c+d}_{Sample} $\underbrace{a+b+c+d}_{Sample}$
\overbrace{a+\underbrace{b+c}_{1.0}+d}^{2.0} $\overbrace{a+\underbrace{b+c}_{1.0}+d}^{2.0}$
\underbrace{a\cdot a\cdots a}_{b\text{ times}} $\underbrace{a\cdot a\cdots a}_{b\text{ times}}$
\underrightarrow{1℃/min} $\underrightarrow{1℃/min}$

9.箭头符号

推荐使用符号:

输入 显示 输入 显示 输入 显示
\to $\to$ \mapsto $\mapsto$
\implies $\implies$ \iff $\iff$ \impliedby $\impliedby$

其它可用符号:

输入 显示 输入 显示
\uparrow $\uparrow$ \Uparrow $\Uparrow$
\downarrow $\downarrow$ \Downarrow $\Downarrow$
\leftarrow $\leftarrow$ \Leftarrow $\Leftarrow$
\rightarrow $\rightarrow$ \Rightarrow $\Rightarrow$
\leftrightarrow $\leftrightarrow$ \Leftrightarrow $\Leftrightarrow$
\longleftarrow $\longleftarrow$ \Longleftarrow $\Longleftarrow$
\longrightarrow $\longrightarrow$ \Longrightarrow $\Longrightarrow$
\longleftrightarrow $\longleftrightarrow$ \Longleftrightarrow $\Longleftrightarrow$

4 矩阵

4.1 矩阵的基本用法

矩阵有很多的打法,这里只讲述最常用的一种,先举个例子.

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$$
\left[ %左括号
\begin{array}[cccc] %[cccc]表示的是一行有4列,c代表的是居中
a_{11} & a_{12} & a_{13} & a_{14} \\ %每行的&分割列,\\代表换行
a_{21} & a_{22} & a_{23} & a_{24} \\
a_{31} & a_{32} & a_{33} & a_{34} \\
a_{41} & a_{42} & a_{43} & a_{44}
\end{array}
\right] %右括号
$$

其编译结果为

我们来分析上面的代码,\left[ \right]就是我们所看到的两个打括号,而中间的array环境是表格环境,[cccc]表示的是一行有4列,c代表的是居中,c可以替换为l(左对齐)、r(右对齐).结合省略号,可以构造一个一般矩阵,例如

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$$
\left[
\begin{array}[cccc]
a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\
a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn}
\end{array}
\right]
$$

其编译结果为

amsmath 宏包还直接提供了多种排版矩阵的
环境,包括不带定界符的matrix,以及带各种定界符的矩阵pmatrix($($)、bmatrix($[$)、Bmatrix($\lbrace$)、vmatrix($|$)、Vmatrix($|$)。使用这些环境时,无需给定列格式:

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$$
\begin{matrix}
1 & 2 \\ 3 & 4
\end{matrix} \qquad
\begin{bmatrix}
x_{11} & x_{12} & \ldots & x_{1n}\\
x_{21} & x_{22} & \ldots & x_{2n}\\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\
x_{n1} & x_{n2} & \ldots & x_{nn}\\
\end{bmatrix}
$$

其编译结果为

在矩阵中的元素里排版分式时,一来要用到\dfrac 等命令,二来行与行之间有可能紧贴着,
这时也要调节间距:

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$$
\mathbf{H}=
\begin{bmatrix}
\dfrac{\partial^2 f}{\partial x^2} &
\dfrac{\partial^2 f}
{\partial x \partial y} \\[8pt]
\dfrac{\partial^2 f}
{\partial x \partial y} &
\dfrac{\partial^2 f}{\partial y^2}
\end{bmatrix}
$$

其编译结果为

5 方程组

方程组可以直接用cases环境直接打出,例如

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$$
\begin{cases} %开始cases环境
x+y=1 \\ %\\换行
x-y=1
\end{cases}
$$

其编译结果如下

6 公式优化

6.1 数学字体

若要对公式的某一部分字符进行字体转换,可以用 {\字体 {需转换的部分字符}} 命令,其中 \字体 部分可以参照下表选择合适的字体.一般情况下,公式默认为意大利体 $italic$ .

示例中 全部大写 的字体仅大写可用.

输入 说明 显示 输入 说明 显示
\mathrm 罗马体 $\mathrm{Sample}$ \cal 花体 $\cal{SAMPLE}$
\mathit 意大利体 $\mathit{Sample}$ \Bbb 黑板粗体 $\Bbb{SAMPLE}$
\mathbf 粗体 $\mathbf{Sample}$ \mit 数学斜体 $\mit{SAMPLE}$
\mathsf 等线体 $\mathsf{Sample}$ \scr 手写体 $\scr{SAMPLE}$
\mathtt 打字机体 $\mathtt{Sample}$
\mathfrak 旧德式字体 $\mathfrak{Sample}$

转换字体十分常用,例如在积分中:

例如:

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\begin{array}{cc}
\mathrm{Bad} & \mathrm{Better} \\
\hline \\
\int_0^1 x^2 dx & \int_0^1 x^2 \,{\rm d}x
\end{array}

其编译结果为

注意比较两个式子间 $dx$ 与 ${\rm d} x$ 的不同.
使用 \operatorname 命令也可以达到相同的效果.

6.2 自动编号与手动编号

手动编号仅需在打完的公式后边加上\tag{编号},例如

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$$
f\left(
\left[
\frac{
1+\left\{x,y\right\}
}{
\left(
\frac{x}{y}+\frac{y}{x}
\right)
\left(u+1\right)
}+a
\right]^{3/2}
\right)
\tag{行标}
$$

其编译结果为

对于自动编号,前面已经提过,在equation环境中会自动编号,有时我们会将其与章节相关联起来,我们可以在tex文件的导言区加上amsmath宏包后再添加命令\numberwithin{equation}{section}​​,这样我们的公式就可以变为如下的形式

6.3 公式断行

公式有的时候太长或是连等式需要手动断行,这个时候可以使用split环境(需要和equation环境同时使用).例如,

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$$
\begin{split}
1+2+3+4+5+6+7+\\
+8+9+10+11+12+13=91.
\end{split}
$$

其编译结果为

当式子为连等式的时候需要对齐,这个时候我们会用上&来匹配每行的位置以达到对齐的效果.例如

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$$
\begin{split}
1+2+3+4+5+6+7
&=3+3+4+5+6+7 \\
&=6+4+5+6+7 \\
&=10+5+6+7 \\
&=15+6+7 \\
&=21+7 \\
&=28
\end{split}
$$

其编译结果为

当然也可以写成这样

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9
10
11
$$
\begin{split}
&\,\,\,\,\,\,\,\,1+2+3+4+5+6+7
&=3+3+4+5+6+7 \\
&=6+4+5+6+7 \\
&=10+5+6+7 \\
&=15+6+7 \\
&=21+7 \\
&=28
\end{split}
$$

其编译结果为

以上稍微引入了多行公式的概念,下面我们详细讲讲多行公式.目前我们最常用的是align多行公式环境,它不需要外套equation环境,并且可以实现自动编号.

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\begin{align}
a ={} & b + c \\
={} & d + e + f + g + h + i
+ j + k + l \notag \\
& + m + n + o \\
={} & p + q + r + s
\end{align}

其编译结果为

若只需要居中对齐公式我们可以选择gather环境

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\begin{gather}
a = b + c \\
d = e + f + g \\
h + i = j + k \notag \\
l + m = n
\end{gather}

其编译结果为

若需要对同一个align环境使用一个编号而不是多个编号,我们可以使用aligned,gathered环境(此时需要和equation环境同时使用).
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\begin{equation}
\begin{aligned}
a &= b + c \\
d &= e + f + g \\
h + i &= j + k \\
l + m &= n
\end{aligned}
\end{equation}

其编译结果为

6.4 连分数

就像输入分式时使用 \frac 一样,使用 \cfrac 来创建一个连分数.例如,

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$$
x = a_0 + \cfrac{1^2}{a_1
+ \cfrac{2^2}{a_2
+ \cfrac{3^2}{a_3 + \cfrac{4^4}{a_4 + \cdots}}}}
$$

其编译结果为

不要使用普通的 \frac\over 来创建,否则会看起来 很奇怪 .例如,

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$$
x = a_0 + \frac{1^2}{a_1
+ \frac{2^2}{a_2
+ \frac{3^2}{a_3 + \frac{4^4}{a_4 + \cdots}}}}
$$

其编译结果为

当然,你可以使用 \frac 来表达连分数的 紧缩记法 .例如,

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5
$$
x = a_0 + \frac{1^2}{a_1+}
\frac{2^2}{a_2+}
\frac{3^2}{a_3 +} \frac{4^4}{a_4 +} \cdots
$$

其编译结果为

连分数通常都太大以至于不易排版,所以建议在连分数前后声明 $$$$ 符号,或使用像 [a0;a1,a2,a3,…] 一样的紧缩记法.

6.5 公式中输入中文

使用\mbox{中文}命令输入中文.例如,

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$$
\sqrt{4} \, \mbox{或} \, 2
$$

其编译结果为

6.6 粗斜体

在给公式加粗体的时候,我们会发现字体变成正体了而不是斜体了.例如,

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$$
\bf{xyz}
$$

其编译结果为

如果想导出粗斜体,则需要在导言区的部分导入宏包amsmath的时候再导入amsmath自带的加粗宏包bm,\usepackage{amsmath,bm},这个时候使用命令\bm{}即可,例如

1
\bm{xyz}

其编译结果为


LaTeX 公式入门指南
https://shevon.is-a.dev/latex公式blog/
作者
ShevonKuan & XiaoPengpeng
发布于
2020年8月26日
许可协议