Programmation LaTeX/Écrire des mathématiques

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Une des grandes forces de LaTeX est le rendu des équations mathématiques.

Les extensions amsmath et amssymb sont très utilisées, vous pouvez les inclure systématiquement.

[modifier] Formules en ligne et formules centrées

On distingue trois cas :

• les formules dites « en ligne » : les symboles mathématiques sont mêlés au texte ; une telle formule commence par un signe dollar $ et se termine par un dollar (ou commence par \( et finit par \)) ;
• les formules « centrées » : elles sont détachées du reste du texte ; une telle formule commence par \[ et se termine par \] ;
• les formules centrées numérotées : comme précédemment, mais LaTeX applique une numérotation automatique. On utilise pour cela l'environnement equation, et l'on peut y placer une étiquette (\label) pour y faire référence (avec \ref et \pageref).

Par exemple

La fonction $f$ est définie par
\[
   f(x) = x-1
\].
On a alors
\begin{equation}
   f(x) = 0 \Leftrightarrow x = 1
\end{equation}

donne

[modifier] Fonctions

On remarque que LaTeX utilise par défaut de l'italique. C'est en effet la forme recommandée pour les variables. Par contre, pour les fonctions on utilise du romain.

Pour cette raison, les fonctions les plus courantes disposent de leur propre instruction qui provoque leur affichage en romain, par exemple :

• les fonctions trigonométriques et hyperboliques
  • \sin, \cos, \tan, \cot
  • \arcsin, \arccos, \arctan, \coth,
  • \sinh, \cosh, \tanh ;
• \ln, \log, \exp ;
• \max, \min, \sup, \inf, \lim ;
• \ker, \deg ;
• \mod, \bmod (sans tabulation), \pmod (avec parenthèses), \pod (sans "mod" mais avec parenthèses).^[1]

Si vous voulez utiliser une fonction non définie, il faut utiliser l'extension amsmath et déclarer la fonction dans le préambule (avant \begin{document}), avec \DeclareMathOperator :

\usepackage{amsmath}
\DeclareMathOperator{\commande}{texte}

où \commande est le nom de la commande et texte est le texte qui sera affiché en romain, par exemple, si l'on veut utiliser les notations obsolètes

\DeclareMathOperator{\asin}{asin}

Si l'on veut définir à nouveau une commande prédéfinie, on peut utiliser \renewcommand{\commande}{\operatorname{texte}}, par exemple pour remplacer le « arcsin » anglo-saxon par le « Arc sin » français on écrit :

\renewcommand{\arcsin}{\operatorname{Arc~sin}}

[modifier] Polices

Si l'on veut mettre du texte normal au sein de l'équation, il faut utiliser la fonction \text{texte} de l'extension amsmath ; on peut alors utiliser toutes les fonctionnalités de LaTeX, en particulier les accents et les espaces (sinon, toutes les lettres sont collées).

Si l'on veut mettre une lettre ou quelques lettres en romain, on utilise \mathrm{texte}. De manière générale, les variables sont en italiques et les constantes sont en romain, en particulier :

• le nombre de Néper e, l'imaginaire i,
• les constantes de physique : la charge de l'électron e, la constante de gravité G, la célérité de la lumière dans le vide c, la constante de Planck h, la constante des gaz parfaits R, …

Les variables minuscules sont toujours en italiques, mais en typographie française, on a tendance à noter les variables capitales en romain (x mais X) ; Certaines polices ont une option permettant d'éviter d'avoir recours à \mathrm pour cela :

• option upright de l'extension fourier (mettre \usepackage[upright]{fourier} dans le préambule) ;
• option frenchstyle de kpfonts ;
• option uppercase=upright de mathdesign ;
• option frenchmath de MinionPro (police Minion Pro d'Adobe, payant).

Voir aussi l'extension tdsfrmath d'août 2008 (donc non incluse dans les distributions de 2008) sur le CTAN.

Pour le gras romain, on utilise \mathbf{texte} (pour les vecteurs en notation anglo-saxonne et les ensembles si l'on n'utilise par la notation ajourée), \mathsf{texte} pour une police sans empattement, \mathtt{texte} pour une police à chasse fixe.

Pour les noms d'ensembles en lettres ajourées, on utilise la fonction \mathbb^[2] de l'extension amsfonts, par exemple $\mathbb{N}$ pour ℕ.

N.B. 

auparavant, cette possibilité était fournie par l'extension amssymb.

On peut utiliser \mathcal{texte} pour les lettres « calligraphiques », par exemple $\mathcal{LF}$ pour . Si l'on charge l'extension mathrsfs, on a alors accès à une police cursive avec \mathscr (script).

La commande \mathit{texte} met le texte en italique. Par défaut, les lettres sont déjà en italiques, mais la commande modifie l'espacement. En effet, si l'on écrit

$bonjour$

LaTeX considèrera que l'on multiplie 7 variables (b×o×n×j×o×u×r), alors que si l'on écrit

$\mathit{bonjour}$

LaTeX considère que l'on a une seule variable de sept lettres.

[modifier] Lettres grecques

Pour utiliser les lettres grecques, il suffit de taper leur transcription en anglais précédée d'une contre-oblique. Par exemple :

• \alpha donne α ;
• \chi donne χ ;
• \omega, \Omega donnent ω, Ω.

Les lettres identiques aux lettres latines ne sont pas définies (le alpha capitale est identique au A, le khi capitale est identique au X). Certaines lettres ont des variantes :

• \epsilon donne , \varepsilon donne  ;
• \theta donne , \vartheta donne  ;
• \pi donne , \varpi donne  ;
• \rho donne , \varrho donne  ;
• \sigma donne , \varsigma donne  ;
• \phi donne , \varphi donne .

[modifier] Exposant, indice

Pour mettre du texte en exposant, on place le texte dans un bloc et on le fait précéder d'un chapeau « ^ ».

Pour mettre du texte en indice, on place le texte dans un bloc et on le fait précéder d'un tiret de soulignement « _ ».

par exemple :

$ u_n = 2^n $ donne u_n = 2ⁿ

$ u_{n+1} = 2^{n+1} $ donne u_n+1 = 2ⁿ⁺¹

On peut placer un objet au-dessus ou en dessous d'un autre.

Placement vertical

Instruction	Résultat
\overset{a}{X}
\underset{b}{X}
\overset{a}{\underset{b}{X}}

[modifier] Espaces

Le mode mathématique de LaTeX ne prend pas en compte les espaces. Si l'on veut les introduire, il faut les indiquer explicitement.

[modifier] Fractions et racines

Les fractions s'obtiennent avec

\frac{numérateur}{dénominateur}

La racine carrée s'obtient avec

\sqrt{radicande}

et la racine énième avec

\sqrt[n]{radicande}

On peut bien sûr utiliser

(radicande)^{1/n}

Exemple :

\[ x_{1,2} = \frac{- b \pm \sqrt{\Delta}}{2a} \]

donne

$ \sqrt[4]{x^4} = |x| $

donne

[modifier] Accents

Les accents classiques (diacritiques du français, de l'espagnol) s'obtiennent avec les commandes suivantes.

Accents classiques

Instruction	Résultat
\acute{a}
a', a^\prime	,
\grave{a}
\hat{a}
\widehat{ABC}
\tilde{a}

Il existe des accents spécifiques aux mathématiques et à la physique.

Accents mathématiques

Instruction	Résultat
\vec{a}
\overrightarrow{AB}
\dot{a}, \ddot{a}	,
\bar{a}
\overline{AB}
\underline{AB}
\overbrace{1,\ldots,n}
\underbrace{1,\ldots,n}

Les instruction \imath et \jmath donnent un i et un j sans point, ce qui évite la superposition d'un accent au point, par exemple $ (O, \vec{\imath}, \vec{\jmath}) $ donne .

[modifier] Symboles

Pour les opérations arithmétiques, on peut utiliser +, - et /. Nous avons vu ci-dessus comment écrire une fraction ; on peut aussi utiliser le symbole \div pour avoir « ÷ ».

Pour la multiplication, on peut utiliser \times pour « × » et \cdot pour « ⋅ » ; il s'agit d'un point centré, différent du point sur la ligne « . » utilisé comme séparateur décimal par les anglo-saxons.

Opérateurs arithmétiques

Intruction	Symbole
+
-
\times
\cdot
/
\frac{a}{b}
\div
:
\Im, \Re	,
\otimes
\%

Voici d'autres symboles.

Dans de nombreux cas, on peut avoir la négation d'un opérateur en utilisant \not\opérateur. Dans certains cas, l'opérateur nié existe, cette solution est alors préférable, par exemple

$ \in $ →

$ \not\in $ →

$ \notin $ →

Relations

Instruction	Symbole
\equiv
\approx
\simeq
\propto
\leq, \geq	,
\leqslant, \geqslant	,
\ll, \gg	,
\lll, \ggg	,
\pm
\Rightarrow, \Longrightarrow	,
\Leftrightarrow, \Longleftrightarrow	,

Ensembles

Instruction	Symbole
\varnothing
\cap
\cup
\subset
\subseteq
\in

Quantificateurs

Instruction	Symbole
\forall
\exists

Opérateurs logiques

Instruction	Symbole
\lnot
\land
\lor

Géométrie

Instruction	Symbole
\wedge
\angle
\measuredangle
\sphericalangle
\perp

Dérivation

Instruction	Symbole
\nabla
\partial

Flèches

Intruction	Symbole	Remarques
\to
\leftarrow, \longleftarrow	,
\rightarrow, \longrightarrow	,
\leftrightarrow, \longleftrightarrow	,
\xrightarrow[a]{b}, \xleftarrow[a]{b}	,	nécessite l'extension amsmath ; le paramètre a est facultatif
\leftrightarrows, \leftrightharpoons	,
\uparrow, \downarrow, \updownarrow	, ,
\nwarrow, \nearrow, \searrow, \swarrow	, , ,

On fera attention à la présence éventuelle d'un s, ainsi qu'à l'ordre des mots left et right. Si l'on met une capitale à l'instruction de la flèche, on obtient en général une flèche double.

Divers

Intruction	Symbole
\infty
\hbar
\circ
\bull
\cdots, \ldots

Exemple

Définition de la limite de la fonction ƒ, définie sur ℝ, en un 0 :

\newcommand{\reels}{\mathbb{R}}
$ \lim_{x \to 0} = a \Leftrightarrow
\forall \varepsilon \in \reels^{*}_{+},\ 
\exist \eta \in \reels^{*}_{+} /\ 
\forall x \in \reels,\ |x| < \eta \Rightarrow | f(x) - a | < \varepsilon $

donne

Définition de la continuité de la fonction ƒ sur ℝ :

\newcommand{\reels}{\mathbb{R}}
$ \forall a \in \reels\ \forall \varepsilon \in \reels^{*}_{+},\ 
\exist \eta \in \reels^{*}_{+} /\ 
\forall x \in \reels,\ |x-a| < \eta \Rightarrow | f(x) - f(a) | < \varepsilon $

donne

[modifier] Grands opérateurs et délimiteurs

Les grands opérateurs sont des opérateurs s'appliquant à un ensemble de valeurs, dont on indique, en général, les bornes. La borne inférieure est indiquée en indice et la borne supérieure en exposant.

Par exemple :

\sum_{i=0,\ i\neq j}^n u_{ij}

donne

Grands opérateurs

Instruction	Symbole
\sum
\prod
\int
\oint
\bigcup
\bigcap

Autre exemple^[3] :

\newcommand{\deriv}{\mathrm{d}}
 
\int \!\!\! \int f(x, y) \deriv x \deriv y

donne

Les intégrales doubles ou triples peuvent aussi être exprimées avec \iint ou \iiint, les intégrales sur les contours fermés ou surfaces fermées par \oint ou \oiint.

Les grands délimiteurs sont des délimiteurs dont la taille s'adapte à ce qu'ils contiennent. Pour cela, on place \left devant le délimiteur d'ouverture, et \right devant le délimiteur.

Exemple

\[ \left ( \frac{a}{b} \right ) \]

donne

Si l'on veut juste un délimiteur ouvrant, il faut terminer par \right ..

Exemple

\[ \left \{ … \right . \]

Cela s'applique aux délimiteurs suivants : (…), […], \{…\}, |…|, \|…\| (le dernier donnant ||…||).

[modifier] Matrices

L'écriture d'une matrice est similaire à celle d'un tableau (voir Faire des tableaux). Le plus simple est d'utiliser l'extension amsmath, on dispose alors des environnements^[4] :

• matrix : matrice sans délimiteur ;
• pmatrix : matrice entre parenthèses (…) ;
• vmatrix : matrice entre barres |…| ;
• Vmatrix : matrice entre doubles barres ||…|| ;
• bmatrix : matrice entre crochets […] ;
• Bmatrix : matrice entre accolades {…}.

Une ligne se termine par une double contre-oblique \\, et sur une ligne, les coefficients sont séparés par une esperluette &.

Exemple

\begin{pmatrix}
   a_1 & b_1 \\
   a_2 & b_2 
\end{pmatrix}

donne

Pour les ellipses, on dispose des symboles suivants.

Ellipses pour matrices

Instruction	Symbole	Remarque
\cdots		points centrés
\ldots		points sur la ligne
\vdots
\ddots

[modifier] Placement des objets

Pour placer finement les objets, on peut utiliser l'environnement array qui fonctionne comme les tableaux.

Exemple

\[
   \left \{
   \begin{array}{r c l}
      AB  & = & 192 \\
      C   & = & 5\,896 \\
      DEF & = & 0,5
   \end{array}
   \right .
\]

donne

[modifier] Encadrer une équation

La commande \fbox ne fonctionne pas avec les environnements mathématiques. Pour encadrer une équation, il faut utiliser l'extension amsmath. S'il s'agit d'une équation en ligne, on peut alors écrire

On obtient donc $\boxed{p = 2\pi r}$.

Mais cette solution ne fonctionne pas avec les formules hors paragraphe. On peut bien sûr mettre une telle formule dans un tableau, mais on peut aussi avoir recours à l'extension empheq, par exemple

On obtient donc
\begin{empheq}[box=\fbox]{equation*}
   p = 2\pi r\text{.}
\end{empheq}

pour une formule non numérotée, ou bien

\begin{empheq}[box=\fbox]{equation}
   p = 2\pi r\text{.}
\end{empheq}

pour une formule numérotée. L'extension empheq fournit bien d'autres possibilités.

[modifier] Notes

1. ↑ http://www.artofproblemsolving.com/LaTeX/AoPS_L_GuideCommands.php
2. ↑ « bb » pour blackboard bold (gras au tableau) : la notation a été inventée pour pouvoir écrire facilement les noms d'ensemble à la craie au tableau, le rendu du gras étant problématique
3. ↑ nous avons choisi de noter le « d » de dérivation en romaine (lettre droite) ; certains le notent en italique
4. ↑ sans amsmath, on dispose de l'environnement array qui crée une matrice sans délimiteur, et on utilise les grands délimiteurs, comme par exemple \left ( … \right ), voir la section suivante

[modifier] Voir aussi

• Mathématiques

Wikipédia

• Aide:Formules TeX
• Table des symboles mathématiques

Liens externes

• (en) Mathmode de Hubert Voss ;
• (fr) Constantes : romaines ou italiques ?, sur news:fr.comp.text.tex ;