LaTeX Beamer数理报告中的常用元素

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本教程将介绍使用LaTeX Beamer制作正式演示文稿的方法。

序言

说起演示文稿，大家最熟悉的是微软Power Point。相信大部分读者都曾见过或者制作过精美的PPT演示文稿，其中包含大量的图示和动画，甚至声音等多媒体效果。Power Point绝对是最强大最流行的演示文稿制作软件，可以满足几乎所有的展示需求。然而，正如微软Office其他软件在数学公式编辑上的短板一样，Power Point对数理公式的支持虽然近年来进步迅速，但是仍然不能令人满意。在处理、显示大量公式的时候，Power Point效率非常低，而且公式的编辑也常常会产生莫名其妙的错误，在其自由度上也有所限制。每每在这个时候，就会让人想起$\LaTeX$。

数学物理文档排版是$\LaTeX$的当家本领。除了在公式排版上独一无二的优势，$\LaTeX$的各种模板和宏包使得熟悉这套编译系统的用户如鱼得水。相信经常使用$\LaTeX$的学生或者研究人员都产生过使用$\LaTeX$搞定一切文档的想法，特别是在制作演示文稿的时候。

$\LaTeX$ Beamer是使用$\LaTeX$制作演示文稿的绝好的工具。制作精美的Beamer可以用在学术报告、讨论会以及课堂教学等场合。然而，与PPT的容易上手相比，Beamer似乎难度大了一点。即使对于有过使用$\LaTeX$编写数理文档经历的读者来讲，Beamer或许完全是另外一套体系。虽然网络上有Beamer自己的文档以及各种简易的教程，想要参考这些资料制作可以与PPT的产品水平相当的演示文稿仍然难度太大；而参考Beamer文档对于一个初学者来说非常枯燥——对于我来说是这样的。因此，一本完整的Beamer入门和提高的教程是非常有必要的。

本教程默认读者具有入门级别的$\LaTeX$知识——只要读者知道通常的$\LaTeX$源文件是什么样子、如何编译即可。本教程内容尽可能自洽，对于超出本书范围的内容会给出易读的参考资料。

本教程使用Beamer 3.0版本，用户手册参见英文版、中文版。在此向维护者、手册作者及译者致谢。

配置与运行

在Linux环境下可以通过安装texlive-full直接安装包括Beamer的整套$\LaTeX$编译工具，例如在Ubuntu下：

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$ sudo apt install texlive-full

安装成功之后，即可通过pdflatex命令编译tex文件生成pdf文件：

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$ pdflatex sample.tex

对于包含中文的tex文件，通常应当使用xelatex命令编译生成pdf文件

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$ xelatex sample.tex

本文所有tex代码均由xelatex编译。
一些现成的Beamer示例通常放置于/usr/share/texlive/texmf-dist/doc/latex/beamer/solutions目录中。新手可以从阅读并修改示例开始。
在Windows环境下，推荐在安装TeXLive后，使用专门的IDE，例如TeXstudio等。

Beamer源文件框架

一个Beamer源文件是以.tex为后缀的UTF8格式的纯文本文档。对于中文Beamer，一个Beamer必备的框架为

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\documentclass{beamer}  
\usepackage[english]{babel}
%\usepackage{ctex} %使用中文时应当取消本行注释并使用xelatex编译
%导入宏包和配置
%文档基本参数
\begin{document}
%正文
\end{document}

一个最简单示例

读者当然可以从beamer/solution目录下的示例开始创建自己的文档。这里给出一个最简单示例。

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\documentclass{beamer}
\usepackage[english]{babel}

\title{There Is No Largest Prime Number}
\author{Euclid of Alexandria}
\date{27th International Symposium of Prime Numbers}

\begin{document}
\begin{frame}           %一帧的开始
    \titlepage          %自动生成首页
\end{frame}             %一帧的结束
\begin{frame}
    \tableofcontents    %有目录时需要编译两次
\end{frame}
\section{Section 1}     %只作为目录的划分在目录中显示，不在正文中显示。
\begin{frame}			%一帧正文示例，内容的语法与普通tex文档基本相同。
    \frametitle{There Is No Largest Prime Number}
    \framesubtitle{The proof uses \textit{reductio ad absurdum}.}
    There is no largest prime number.
    \begin{theorem}
        There is no largest prime number.
    \end{theorem}
    \begin{proof}
        \begin{enumerate}
            \item Suppose $p$ were the largest prime number.
            \item Let $q$ be the product of the first $p$ numbers.
            \item Then $q+1$ is not divisible by any of them.
            \item But $q + 1$ is greater than $1$, thus divisible by some prime
                number not in the first $p$ numbers.\qedhere
        \end{enumerate}
    \end{proof}
\end{frame}
\end{document}

这个演示文稿没有使用主题，也没有使用叠层（即单击后显示的元素），也没有图片等等。下面我们讲解最实用的一些操作，使Beamer制作的演示文稿华丽升级。

我们希望能够像使用PPT一样使用Beamer。首先就是要能够自由添加文字、图片、表格等必需基本元素，也就是说要自由编辑其位置、尺寸、旋转等等属性。

定位框：textpos宏包

导入textpos宏包即可自由安排文字位置：

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%通常
\usepackage[absolute,overlay]{textpos}
%显示定位框边框，通常在调试中使用
\usepackage[absolute,overlay,showboxes]{textpos}

直接调用方法：textblock*环境

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\begin{textblock*}{width}(x,y) %width为定位框宽度，x、y为定位框左上角坐标。
whatever you want to put here
\end{textblock*}

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\begin{textblock*}{width}[0.5,0.5](x,y) %width为定位框宽度，x、y为定位框中心点坐标
whatever you want to put here
\end{textblock*}

这里宽度和坐标需要是长度量。

长度量

即带长度单位的数，如：20pt，1.5em，3cm，200mm等，通常用在设置元素的尺寸和位置的地方。所有使用长度量的参数都可以使用长度宏，并且无需额外导入宏包。Beamer中常用的长度宏有

  • \paperwidth 页面长度
  • \paperheight 页面高度

可以直接对长度宏使用乘法，如0.5/paperwidth。 如果使用更多的算术如加减，需要导入calc宏包
undefined

则加法可以写成0.5/paperwidth+3cm。
关于长度量，参见LaTeX/Lengths。


预设长度单位调用方法：textblock环境
需要在导言区（即\begin{document}之前）预设参数：
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\setlength{\TPHorizModule}{width_unit}  %width_unit是长度量，为textblock的宽度和横坐标的单位
\setlength{\TPVertModule}{height_unit}  %height_unit是长度量，为textblock的高度和纵坐标的单位
\setlength{\parindent}{0pt}             %textblock中内容的缩进量，通常直接设成0pt

调用与上面类似：

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\begin{textblock}{width}[0.5,0.5](x,y) %width为定位框宽度，x、y为定位框中心点坐标
whatever you want to put here
\end{textblock}

此时宽度和坐标只需要写一个纯数字就可以了，单位是导言区预设的。

直接调用和单数预设单位调用可以混合使用。

当定位框宽度小于文字总长度时，文字会换行；当定位框宽度小于一个英文单词时，英文单词会断开。
定位框使得任意安排文字、图片等内容的位置，也可以设置底色。但是，并不建议将定位框当做文本框使用，因为定位框给出的样式并不美观。所以定位框最好只用作定位。

以下是示例。

按照文字中心点设置文字位置 
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\documentclass{beamer}
\usepackage[english]{babel}
\usepackage[absolute,overlay]{textpos}

\setlength{\TPHorizModule}{\paperwidth} %设置textpos横向单位为页面宽度
\setlength{\TPVertModule}{\paperheight} %设置textpos纵向单位为页面高度
\setlength{\parindent}{0pt}             %设置textpos内容无缩进

\begin{document}
\begin{frame}
    \begin{textblock}{.7}[0.5,0.5](.5,.7)   %定位框宽度为0.7，定位框中心在页面(0.5,0.7)处
        \centering                          %定位框文字内容居中
        A quick brown fox jumps over a lazy dog.    %内容，可以为文字、图片、表格等等任意元素
    \end{textblock}
\end{frame}
\end{document}

将itemize一类的列表居中
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\documentclass{beamer}
\usepackage[english]{babel}
\usepackage[absolute,overlay,showboxes]{textpos}

\setlength{\TPHorizModule}{\paperwidth}
\setlength{\TPVertModule}{\paperheight}
\setlength{\parindent}{0pt}

\begin{document}
\begin{frame}
    \begin{textblock}{.6}[0.5,0.5](.5,.7) 
        %\centering和\begin{center}\end{center}对列表无效
        %只能调节textblock的width使得刚好装得下列表
        %这里手动设置为0.6（即0.6\paperwidth）达到预期效果
        \begin{itemize}
            \item  A quick brown fox jumps over a lazy dog.
            \item  A quick brown fox.
            \item  Quick.
        \end{itemize}
    \end{textblock}
\end{frame}
\end{document}

文本框

文本框是PPT里最常用的元素。在Beamer里同样可以使用。

Block框

有些主题自带显示效果不错的block框，包含三种颜色风格block（蓝色）、exampleblock（绿色）和alertblock（红色）使用方法如下

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\begin{block}{block title}
    Normal information.
\end{block}
\begin{exampleblock}{exampleblock title}
    Example information.
\end{exampleblock}
\begin{alertblock}{alertblock title}
    Alert information.
\end{alertblock}

也可以配合定位框使用：

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\begin{textblock}{0.5}[.5,.5](.5,.3)
    \begin{alertblock}{alertblock title}
        Alert information.
    \end{alertblock}
\end{textblock}

fbox和fancybox

$\LaTeX$自带\fbox{text}可以绘制简单的矩形文本外框

\fbox与textblock组合
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\begin{textblock}{.6}[0.5,0.5](.5,.3)
    \center
    \fbox{Here is my text}
\end{textblock}

其边距和边框粗细可以在导言区设置，例如：

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\setlength{\fboxsep}{10pt}  %设置边距
\setlength{\fboxrule}{5pt}  %设置边框粗细

其边框颜色可以使用\color设置，可以导入xcolor宏包方便使用颜色：

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\begin{textblock}{.6}[0.5,0.5](.5,.3)
    \center
    1kjaioshd9 {\color{red}\fbox{\color{black}caiskjcoa}} qwijdqio
    %括号{}保证颜色设置不会影响其他文字
    %若只修改外框颜色，需要将框内文字的颜色调回来
\end{textblock}

或者直接自定义宏：

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%导言区
\newcommand{\cfbox}[2]{%
    \colorlet{currentcolor}{.}%
    {\color{#1}%
    \fbox{\color{currentcolor}#2}}%
}
%调用
\cfbox{red}{In red box} Normal black text

此外，fancybox宏包提供了三种基本的文本框格式：\doublebox \ovalbox \shadowbox

多行文本的特殊处理
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\documentclass{beamer}
\usepackage[english]{babel}
\usepackage{fancybox,xcolor}

\begin{document}
    \begin{frame}{A fame}
        {\huge \Ovalbox{\parbox{40mm}{\centering\textcolor{red}{Two lined \\ text}}}}
    \end{frame}
\end{document}

还有很多类似的文本框宏包。在此不一一列举。

TikZ手动绘制

TikZ本身是一个画图宏包，当然也能用于绘制文本框。

一个椭圆形文本框
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\documentclass{beamer}
\usepackage{tikz,xcolor}
\usetikzlibrary{shapes}
\tikzset{% 
ell/.style={draw,ellipse,minimum height=3em,text width=10em,line width=2pt, align=center},
}

\begin{document}
\begin{frame}
    \begin{tikzpicture}
        \node[ell] {\textcolor{red}{\huge Two lined \\ text}};
    \end{tikzpicture}
\end{frame}
\end{document}

关于TikZ宏包的使用细节见下文。

文字属性

文本的字体、样式、字号、颜色等设置方法与一般tex文档相同。这里是一些例子。

字号、样式和颜色

全局字号可以在开头就设置：

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\documentclass[12pt]{beamer}

以下是行内设置的例子：

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%设置字号（自由设置字号可以调用anyfontsize宏包）
{\Large Any text}
%加粗（需要字体支持，见下文）
\textbf{text bold}
%斜体（需要字体支持，见下文）
\textit{text italic}
%下划线
\underline{text underlined}
%删除线
\usepackage[normalem]{ulem}
\sout{Hello World}
%颜色（通常调用xcolor宏包方便使用颜色）
{\color{red} text red}      %改变之后所有字符的颜色，外层括号限制颜色范围
\textcolor{blue}{text blue} %若对文本无括号，则只改变第一个字符的颜色

字体

ctexbeamer版本对中文的支持

如果安装有ctex系列模板，就可以使用\document{ctexbeamer}似乎对中文的支持更好。
这里我们默认没有安装，但是可以通过调用ctex宏包达到基本相同的效果。

我们通常希望使用系统中已安装字体。这里以Ubuntu 16.04为例，使用xelatex编译可以允许tex文档中使用TTF和OTF字体。

Linux下安装字体请参看在linux中安装/卸载字体。

查看已安装的字体

在shell中运行fc-list可以查看已安装的字体：

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$ fc-list

查看某一语言的字体，例如查看中文字体，可以加语言参数：

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$ fc-list :lang=zh

一个例子：

查看英文字体Consolas安装情况
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$ fc-list :lang=en | grep Conso
/usr/share/fonts/windows/consola.ttf: Consolas:style=Regular
/usr/share/fonts/windows/consolaz.ttf: Consolas:style=Bold Italic
/usr/share/fonts/windows/consolai.ttf: Consolas:style=Italic
/usr/share/fonts/windows/consolab.ttf: Consolas:style=Bold

上面的例子中，我们看到Consolas字体已经安装，路径为/usr/share/fonts/windows/consola*.ttf，包含正体、粗体、斜体、粗斜体四种样式，意味着支持设置这四种样式（有的字体没有这些样式，则\textbf、\textit不会有效果）。字体的名字就是第一个冒号到第二个冒号之间的Consolas，这个字体名字我们将在tex文档中用到。

设置全局字体

使用fonstspec宏包可以在xelatex编译下调用系统TTF、OTF字体，并在导言区设置全局字体：

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\usepackage{fontspec}
%\setmainfont[options]{<fontname>} % sets the Roman font for the document
\setsansfont[options]{<fontname>} % sets the Sans Serif font for the document
%\setmonofont[options]{<fontname>} % sets the Monospaced font for the document

Beamer中所有文本（包括数学环境中的英文字符）都属于sansfont，所以只有\setsansfont有效。例如

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\usepackage{fontspec}
\setsansfont[Ligatures=TeX]{Helvetica Neue} %Ligatures=TeX增加非Unicode字符的支持

中文字体则在使用ctex宏包后可以设置：（独立于fontspec宏包）

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\usepackage{ctex}
\setCJKsansfont{微软雅黑}   %当然可以用字体的中文名称，如果有的话

字体名字必须一致

字体名称必须与fc-list查询到的字体名称完全一致，包括大小写及内部空格。fc-list结果中同一字体不同名称（如中英文名称）以英文逗号分隔。

数学字体可以改回与article类似的样式：

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\documentclass[mathserif]{beamer}

此时数学字体回到了默认的mathfont。

有时考虑到演讲的要求，默认的字体太细，可以进一步更换数学字体：

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\usepackage{unicode-math}
\setmathfont{Cambria Math}
%微软公式编辑器默认字体，需要额外安装，但是效果最好

这样原本正文的字体也不会被干扰。
参考Math Fonts(with Beamer)。

设置行内字体

局部设置字体需要在导言区声明：

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%声明
\newfontfamily\myfont[options]{<fontname>}
%调用
{\myfont Some text in the special font}

中文通过CJK设置与调用：

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%声明
\setCJKfamilyfont{hwxk}{STXingkai}             %使用STXingkai华文行楷字体
\newcommand{\hwxkfont}{\CJKfamily{hwxk}}
%调用
{\hwxkfont 华文行楷字体}

此外ctex预设了\songti \kaishu \heiti \fangsong四个字体，可以不经过声明直接调用。

图片

这一章介绍如何向Beamer中插入图形和图片。

TikZ绘制简单图形

TikZ画图的知识对于Beamer制作非常重要，内容非常多，将在后续文章中详细讲解。

插入图片

图片直接使用figure环境就可以了，一般形式为

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\begin{figure}[!htbp]
  \begin{center}
    \includegraphics[width=\textwidth]{{../img/beamer/oil_rec}.jpg}
    \caption{Figure caption}
  \end{center}
\end{figure}

横排多个图片可以在figure环境中再套一层subfigure。更多的定位需要用到textblock环境文本框定位。

以下是一个稍微复杂的示例：

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\begin{frame}{What Are Microemulsions?}
  \begin{textblock}{0.9}[0,0](0.05,0.2)
  \begin{itemize}
      \item Water + oil + surfactant
      \item Thermodynamically stable
  \end{itemize}
  \colemph{Applications:}
\end{textblock}

\begin{textblock}{0.9}[0,0](0.05,0.25)
  \begin{figure}[!htbp]
    \begin{center}
      \begin{subfigure}[b]{0.3\linewidth}
        \begin{center}
        \includegraphics[width=\textwidth]{{../img/beamer/oil_rec}.jpg}
        \caption{Oil recovery}
        \end{center}
      \end{subfigure}
      \begin{subfigure}[b]{0.3\linewidth}
        \begin{center}
          \includegraphics[width=\textwidth]{{../img/beamer/ev}.jpg}
          \caption{Drug delivery}
        \end{center}
      \end{subfigure}
      \begin{subfigure}[b]{0.3\linewidth}
        \begin{center}
          \includegraphics[width=\textwidth]{{../img/beamer/cg}.png}
          \caption{Protein crystallization}
        \end{center}
      \end{subfigure}
    \end{center}
  \end{figure}
\end{textblock}
\end{frame}

导入表格

这里不再赘述如何使用$\LaTeX$编写表格。比起手动建立tex表格，我们更希望直接导入CSV格式的数据表。我们提倡数据与文档分开，这样对于数据的更新或者利用都更加方便，也避免了对文档的污染。

导入CSV文档需要用到宏包csvsimple。而其他格式的数据表如xlsx等都可以导出称纯CSV文档。

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\usepackage{csvsimple}

快速导入

假如在与tex文档相同目录下有test.csv需要导入建表，则

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\begin{frame}
    \begin{textblock}{.8}[.5,.5](.5,.5)
        \centering                          %将表格放置于定位框中央
        \csvautotabular{test.csv}
    \end{textblock}
\end{frame}

标准三线表

更多复杂的用法请参见csvsimple宏包文档。这里我们以建立一个标准的三线表为例。

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\documentclass{beamer}
\usepackage[english]{babel}
\usepackage{csvsimple}
\usepackage{booktabs}                       %\csvautobooktabular需要

\usepackage[absolute,overlay]{textpos}
\setlength{\TPHorizModule}{\paperwidth}
\setlength{\TPVertModule}{\paperheight}
\setlength{\parindent}{0pt}

\usepackage{fontspec}
\newfontfamily\timesfont{Times New Roman}   %声明新字体

\begin{document}
\begin{frame}
    \begin{textblock}{.8}[.5,.5](.5,.5)     %页面正中放置定位框，宽度要足够大
        \timesfont                          %设置表格字体
        \centering                          %表格在定位框内居中
        \csvautobooktabular{test.csv}       %导入并建立三线表
    \end{textblock}
\end{frame}
\end{document}