LaTeXで図を直接描けるTikZの使い方１

LaTeXで図を扱いたいとき，もともと画像ファイルを作っておいて，それを挿入表示させる方法がある．

しかし，図とLaTeXの文字のバランスの調整が難しかったり，図の挿入が綺麗に挿入できないことも少なくない．

そこで，本稿ではTeXファイルに直接記述することで図を描くことができるパッケージのTikzのLaTeXでの使い方を紹介する．

TikZを使えば，直線，曲線，グラフも直接描くことができ，非常に便利である．

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1 TikZの準備
- 1.1 TikZパッケージの宣言
- 1.2 簡単な説明
2 線分を描く
3 複数の描画をする
4 図に文字を書き込む方法
5 曲線の描き方
6 参考文献

TikZの準備

TikZはパッケージなので，次の準備が必要である．

TikZパッケージをインストール
プリアンブルにTikZパッケージを使う宣言をする

TikZパッケージはLaTeXの環境を整えた時点で元から準備されていることが多いので，実際に簡単なコードでTikZを動かしてみて動かないときにインストールされてない可能性を疑えばよいと思う．

そのため，TikZパッケージのインストールは省略する．

もしTikZが準備されていなさそうであれば，「TikZ　ダウンロード」などと検索して，TikZパッケージをダウンロードし，適切な場所に配置すればよい．

TikZパッケージの宣言

LaTeXのパッケージを知っている人なら，パッケージを使用するためにはプリアンブル(\documentclassと\begin{document}の間)でパッケージを使う宣言が必要であることは基本的であろう．

TikZパッケージも例外ではない．

まずは，あえて何も説明せず使える状態にしよう．

.texファイルに以下のように

\documentclass[dvipdfmx]{jsarticle}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{intersections, calc}

\begin{document}

\end{document}

\documentclass[dvipdfmx]{jsarticle}

\usepackage{tikz}

\usetikzlibrary{intersections, calc}

\begin{document}

\end{document}

と記述する．これだけで既にTikZを使える状態になっている．

簡単な説明

ここでは，プリアンブルの

\documentclass[dvipdfmx]{jsarticle}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{intersections, calc}

\documentclass[dvipdfmx]{jsarticle}

\usepackage{tikz}

\usetikzlibrary{intersections, calc}

の部分の説明をするが，「とりあえず使いたいんや！」という方は飛ばしても構わない．

ドライバの宣言

冒頭の

\documentclass[dvipdfmx]{jsarticle}

1	\documentclass[dvipdfmx]{jsarticle}

であるが，これは「”dvipdfmx”というドライバを使い，和文(jsarticle)で作成する」という宣言である．

ドライバは.texファイルをコンパイルしたときにTikZの図を表示するために必要なものであるが，詳しい説明はここではしない．ひとまずはTikZの図を表示させるために，なんらかのドライバが必要だという認識でよい．

また，jsarticleに関してはTikZに対して，本質的に関わってくるものではないので説明は省略する．

パッケージの宣言

核となるのは

\usepackage{tikz}

1	\usepackage{tikz}

である．

これは「”tikz”というパッケージを使う」という宣言である．

正確には”tikz.sty”というスタイルファイルは存在せず，いくつかのスタイルファイルの集合体をTikZと呼んでいる．そして，これら”TikZ”にまつわるいくつかのスタイルファイルを”\usepackage{tikz}”で一斉に呼び出している．

詳しい説明は省略するが，このパッケージにTikZを使うための基本的な道具が詰まっている．

ライブラリの宣言

ライブラリはTikZの機能を拡張させるものである．

\usetikzlibrary{intersections, calc, arrows}

1	\usetikzlibrary{intersections, calc, arrows}

は「”intersections”と”calc”と”arrows”のライブラリを使う」という宣言になっている．

TikZ単体では，線の交点を求めたり，内分点を求めるなどの座標の計算ができない．そこで

“intersections”を使えば，線の交点を求められるようになる
“calc”を使えば，座標計算ができるようになる

というように，ライブラリにより機能を拡張することができる．

他にもいくつかライブラリは存在するが，ひとまずこの2つのライブラリだけでもTikZの利便性が大きく向上する．

線分を描く

準備が終わったので，ここからは具体的にTikZを使っていく．

ここでは，まずは最も基本的な「線分の描き方」を説明する．

なお，以下は全て\begin{document}と\end{document}の間に記述する．

単純な線分，折れ線

まずは次のように記述する．

\tikz \draw (0,0)--(2,1);

1	\tikz \draw (0,0)--(2,1);

最後のセミコロン(“;”)は必ず必要なので，忘れないように注意する．

これをコンパイルすると以下のように表示される．

結論から言えば，これは「直交座標上で点 $(0,0)$ と点 $(2,1)$ を結んで(“–“)描け(“\draw”)」という命令になっている．

このように，座標と座標を2個の半角ダッシュ”-“で結べば，この2点間を結ぶ線分が描画できる．

また，描画は相対位置で描画されるので，上のものの全ての第1成分に5を加えて

\tikz \draw (0+5,0)--(2+5,1);

1	\tikz \draw (0+5,0)--(2+5,1);

と記述しても上と同じく

と表示される．

線分を順次つなげていくこともできる．

\tikz \draw (0,0)--(2,1)--(3,-1);

1	\tikz \draw (0,0)--(2,1)--(3,-1);

と記述し，コンパイルすると以下のように表示される．

閉じた線

閉じた線を記述することもできる．

\tikz \draw (0,0)--(2,1)--(3,-1)--cycle;

1	\tikz \draw (0,0)--(2,1)--(3,-1)--cycle;

と最後に”cycle”を記述すれば，

と閉じた線となる．

ここで，「”cycle”を使わなくても， \tikz \draw (0,0)--(2,1)--(3,-1)--(0,0); とすれば良いのではないか」という疑問が湧く．

しかし，実はこの記述と上の”cycle”を使った閉じた線は，微妙に異なった線を描く．

違いを分かりやすくするため，両者を極太の線分

\tikz \draw[ultra thick] (0,0)--(2,1)--(3,-1)--cycle;
\tikz \draw[ultra thick] (0,0)--(2,1)--(3,-1)--(0,0);

1 2	\tikz \draw[ultra thick] (0,0)--(2,1)--(3,-1)--cycle; \tikz \draw[ultra thick] (0,0)--(2,1)--(3,-1)--(0,0);

で描いてみると，それぞれ以下のようになる．

両者の三角形の左の頂点に注目すると，前者はとんがっているが後者はとんがっていない．拡大してみるとよく分かる．

このように，“cycle”を使わないと「2つの端点が集まっているだけ」の不恰好な頂点となってしまう．

長方形

指定した2点を対角線とする長方形を描くことができる．

\tikz \draw (0,0) rectangle (2,3);

1	\tikz \draw (0,0) rectangle (2,3);

と2点で”rectangle”を挟んで記述すれば，

と2点 $(0,0)$ ， $(2,3)$ を結んだ線分を対角線とする長方形となる．

複数の描画をする

1行で図の記述が終わる場合には，”\tikz”を前に書くことで描画できるが，複数行の命令が必要な場合にはこの記述ではうまく動かない．

1つの図の中に複数行の命令で描画したい場合には，”\tikz”を前に書く代わりに，

\begin{tikzpicture}
 \draw (0,0)--(2,0);
 \draw (0,1)--(2,1);
\end{tikzpicture}

\begin{tikzpicture}

\draw (0,0)--(2,0);

\draw (0,1)--(2,1);

\end{tikzpicture}

とすれば，

と表示される．

このように，複数行の記述が必要な場合には，

\begin{tikzpicture}
 描画;
 描画;
 ……
\end{tikzpicture}

\begin{tikzpicture}

描画;

……

\end{tikzpicture}

の形で記述すれば良い．

図に文字を書き込む方法

以下のように“node”を用いれば，図中に文字を書き込むことができる．

\begin{tikzpicture}
 \draw (0,0)--(2,1)--(3,-1)--(1,-1)--cycle;
 \draw (0,0)node{A};
 \draw (2,1)node{B};
 \draw (3,-1)node{C};
 \draw (1,-1)node{D};
\end{tikzpicture}

\begin{tikzpicture}

\draw (0,0)--(2,1)--(3,-1)--(1,-1)--cycle;

\draw (0,0)node{A};

\draw (2,1)node{B};

\draw (3,-1)node{C};

\draw (1,-1)node{D};

\end{tikzpicture}

表示は以下のようになる．

しかし，これでは図と文字が被って美しくないが，これを文字の位置をズラすことで解決できる．

具体的には，

\begin{tikzpicture}
 \draw (0,0)--(2,1)--(3,-1)--(1,-1)--cycle;
 \draw (0,0)node[left]{A};
 \draw (2,1)node[above]{B};
 \draw (3,-1)node[right]{C};
 \draw (1,-1)node[below]{D};
\end{tikzpicture}

\begin{tikzpicture}

\draw (0,0)--(2,1)--(3,-1)--(1,-1)--cycle;

\draw (0,0)node[left]{A};

\draw (2,1)node[above]{B};

\draw (3,-1)node[right]{C};

\draw (1,-1)node[below]{D};

\end{tikzpicture}

とすれば，

と表示される．すなわち，

\tikz \draw (a,b) node[上下左右]{文字};

1	\tikz \draw (a,b) node[上下左右]{文字};

と書くことによって，「点(a,b)の[上下左右]に{文字}を書け」という命令になる．

[上下左右]には

above(上)
below(下)
left(左)
right(右)

と，これらを組み合わせた

above right(右上)
above left(左上)
below right(右下)
below left(左下)

の全8方向を指定できる．

なお，実は”node”は

\tikz \draw (0,0)node[left]{A}--(2,1)node[above]{B}--(3,-1)node[right]{C}--(1,-1)node[below]{D}--cycle;

1	\tikz \draw (0,0)node[left]{A}--(2,1)node[above]{B}--(3,-1)node[right]{C}--(1,-1)node[below]{D}--cycle;

ように，折れ線の記述の中でも正しく機能し，上と同じ図が描ける．

曲線の描き方

次に，曲線の描き方を説明する．

円の描き方

曲線の中でも円を描く機会は多いであろう．例えば，

\begin{tikzpicture}[xscale=1,yscale=1]
 \draw(0,0) circle (1);
 \draw(1,1) circle (2);
\end{tikzpicture}

\begin{tikzpicture}[xscale=1,yscale=1]

\draw(0,0) circle (1);

\draw(1,1) circle (2);

\end{tikzpicture}

と記述すれば，

と表示される．すなわち，点 $(a,b)$ 中心，半径 $r$ の円は

\tikz \draw (a,b)circle(r);

1	\tikz \draw (a,b)circle(r);

と記述することにより描くことができる．

楕円の描き方

例えば，

\tikz \draw (0,0) circle [x radius=2, y radius=1, rotate=30];

1	\tikz \draw (0,0) circle [x radius=2, y radius=1, rotate=30];

と記述すれば，

と表示される．

すなわち，点 $(a,b)$ 中心，第1成分の径の長さが $p$ ，第2成分の径の長さが $q$ の楕円を $t^\circ$ 傾けた図形は

\tikz \draw (a,b) circle [x radius=p, y radius=q, rotate=t];

1	\tikz \draw (a,b) circle [x radius=p, y radius=q, rotate=t];

と記述することにより描くことができる．

始点と終点への向きを指定する方法１

例えば，

\tikz \draw (0,0) to [out=45,in=135] (4,0);

1	\tikz \draw (0,0) to [out=45,in=135] (4,0);

と記述すれば，

と表示される．

すなわち，点 $(a,b)$ から偏角 $t$ の方向へ出て，点 $(p,q)$ へ偏角 $s$ の方向から入る曲線は

\tikz \draw (a,b) to [out=t,in=s] (p,q);

1	\tikz \draw (a,b) to [out=t,in=s] (p,q);

と記述することにより描くことができる．

始点と終点への向きを指定する方法２

今の図の曲線を $45^\circ$ 回転させようと，終点 $(4,0)$ を単に $(2\sqrt{2},2\sqrt{2})$ に移して

\tikz \draw (0,0) to [out=45,in=135] ({2*sqrt(2)},{2*sqrt(2)});

1	\tikz \draw (0,0) to [out=45,in=135] ({2sqrt(2)},{2sqrt(2)});

と記述した場合，

と表示される．

to [out=45,in=135] で指定している $45^\circ$ と $135^\circ$ はあくまで右方向からの偏角なので，単に終点の位置を移動させても図形自体は回転しない．そこで，

\tikz \draw (0,0) to [out=45,in=135,relative] ({sqrt(2)},{sqrt(2)});

1	\tikz \draw (0,0) to [out=45,in=135,relative] ({sqrt(2)},{sqrt(2)});

と曲線のオプションに”relative”を記述することで，この2点を基準の軸とした偏角で表すことができる．これにより，

と表示される．

すなわち，点 $(a,b)$ から点 $(p,q)$ の向きを基準として，点 $(a,b)$ から偏角 $t^{\circ}$ の方向へ出て，点 $(p,q)$ へ偏角 $s^{\circ}$ の方向から入る曲線は

\tikz \draw (a,b) to [out=t,in=s,relative] (p,q);

1	\tikz \draw (a,b) to [out=t,in=s,relative] (p,q);

と記述することにより描くことができる．

もっとも回転させるだけなら，

\tikz \draw[rotate=45] (0,0) to [out=45,in=135] (4,0);

1	\tikz \draw[rotate=45] (0,0) to [out=45,in=135] (4,0);

という回転のオプション [rotate=角度] を”\draw”の直後に記述すれば，

となる．

次の記事【LaTeXで図を直接描けるTikZの使い方２｜線のスタイル】では，線のスタイル(太さ，デザインなど)を変える方法を説明する．

参考文献

以下はLaTeXに関しての参考文献である．

LaTeX2e美文書作成入門　改訂第7版　(奥村晴彦著/技術評論社)

著者の奥村氏は日本におけるTeXの第一人者であり，本書はLaTeX初心者から中級者まで幅広い層に役立つLaTeXの教科書である．

非常に詳しく解説が載っており，しっかり理解して習得することができる．

本書にはDVD-ROMが付属しており，LaTeXのインストール用がすぐにできるので，LaTeXをはじめる人が苦戦しがちな環境整備がすぐにできる．

ただし，本稿の内容のTikZについての記述はないので注意．

Amazon 楽天市場

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