Appendice A — LaTeX

LaTeX è un programma estremamente potente per la formattazione di documenti, fortemente orientato alla matematica, ed estremamente popolare nella comunità scientifica—e tra le fisiche in particolare. In questo capitolo il nostro approccio sarà, per molti aspetti, minimale: impareremo come si scrive e compila un documento e come si creano liste tabelle, equazioni e figure—lo stretto necessario per una relazione di laboratorio. Per tutto il resto rimandiamo alla documentazione reperibile in rete e, in particolare, all’ottima The Not So Short Introduction to LaTeX.

A.1 Scrivere ed impaginare

Se in vita vostra avete usato solo applicazioni di word processing (e.g., Microsoft Word o LibreOffice) per scrivere documenti, è probabile che non vi siate mai interrogate sulla differenza tra la scrittura del testo e la sua impaginazione. All’ordine zero la cosa è semplice:

• la scrittura ha a che vedere con il contenuto, ovverosia con il cosa scrivete;
• l’impaginazione ha a che vedere con il come questo contenuto appare.

Per la maggior parte della storia della stampa moderna, queste due cose sono state rigorosamente separate—per dirlo in modo brutale: la scrittrice scrive, la tipografa impagina. Ma l’avvento della stampa digitale ha portato al fiorire di programmi di videoscrittura (come Microsoft Word e LibreOffice, appunto) di tipo WYSISYG (What You See Is What You Get, o quel che vedi è il risultato finale), in cui il confine è andato sfumando.

L’idea di fondo di un programma WYSIWYG è che quello che appare sullo schermo mentre scriviamo è sostanzialmente il documento finale, come apparirà dopo la stampa (o la pubblicazione su web). In altre parole, la stesura e l’impaginazione avvengono contemporaneamente. Fare un documento ben strutturato all’interno di questo paradigma non è tecnicamente impossibile, ma non è nemmeno attivamente incoraggiato, per cui i risultati (nessuna me ne voglia) sono spesso mediocri.

Da questo punto di vista LaTeX assomiglia più ad un linguaggio di programmazione, in cui il codice sorgente è un misto di testo e comandi, questi ultimi con funzione di tipo strutturale (e.g., “questo è un titolo”, “questa è una figura”), ma senza alcuna indicazione sull’impaginazione. Quest’ultima avviene in un secondo momento, quando il sorgente viene processato da un programma apposito (pdflatex, ad esempio, produce un file pdf).

A.2 Installare LaTeX?

Oppure no? Fino a una decina di anni fa non ci sarebbe stato nessun dubbio—la risposta sarebbe stata affermativa. Questo era prima che Overleaf conquistasse il mondo, per cui oggi probabilmente la risposta è: a meno che non vogliate diventare delle professioniste di LaTeX, e assumendo che abbiate a disposizione un browser e l’accesso alla rete, potete cavarvela senza installare niente.

Nota

Se siete studenti dell’Università di Pisa avete accesso con le credenziali di ateneo all’istanza di Overleaf che UNIPI mette a disposizione attraverso la pagina di login. Cosa ci guadagnate rispetto all’istanza principale di Overleaf: non dovete fare un altro account, potete collaborare liberamente con le altre studentesse, e non ricevete solleciti continui per attivare il piano a pagamento. Secondo me è un no brainer.

Scrivere in LaTeX assomiglia per molti versi a programmare in Python (o in un qualsiasi altro linguaggio di programmazione). Scrivete il codice sorgente in un editor di testo, lo compilate con il comando opportuno, e vi godete il glorioso documento pdf generato. Mano a mano che procedete nella scrittura, il ciclo si ripete fino a che non siete soddisfatte. Se usate Overleaf, tutto questo avviene comodamente in un browser in cui, tra le altre cose, avete l’editor a sinistra e l’anteprima del documento a destra. La compilazione è triggerata da un apposito tasto. Niente di più semplice.

Se, andando avanti, doveste sentire l’esigenza di passare ad un workflow locale (ad esempio se avete bisogno di lavorare su LaTeX in aereo, senza accesso alla rete) il modo più semplice di installare tutto quello che serve è con la distribuzione TeX Live.

A.3 Il primo documento

Cominciamo con il più semplice documento che si possa immaginare:

\documentclass[11pt, a4paper]{article}

\begin{document}
Il mio primo documento\ldots
\end{document}

Copiate e incollate il testo su Overleaf, premete il tasto per compilare, e guardate cosa viene fuori—non sarà niente di esaltante, per cui non abbiate aspettative troppo alte.

Prima di andare avanti e familiarizzare con funzionalità più potenti ed avanzate, cerchiamo di capire il significato di ciascuna delle quattro righe del nostro documento. Una per una.

Nella riga 1

\documentclass[11pt, a4paper]{article}

dichiariamo sostanzialmente il tipo di documento—in questo caso un articolo. (Esistono molti tipi di documenti predefiniti, e ne potete aggiungere altri. La classe article va bene per le relazioni di laboratorio, per cui per il momento non è strettamente necessario sapere altro.) 11pt significa che la dimensione dei caratteri del testo è 11$ punti; a4paper selezione la dimensione di pagina—in questo caso un normale foglio A4.

Il contenuto del documento vero e proprio è compreso tra i due comandi alle righe 3 e 5, in una struttura del tipo

[preambolo]
\begin{document}
[corpo]
\end{document}

Il comando \begin{document} separa quello che è chiamato preambolo (nel nostro caso è sostanzialmente l’indicazione del tipo di documento) dal corpo vero e proprio, che è tutto e solo quello che appare nel documento finale in pdf dopo la compilazione. Tutto quello che viene dopo il comando \end{document} è semplicemente ignorato.

Notate che tutti i comandi LaTeX cominciano con il simbolo \ (backslash). In un certo senso potete vedere un comando LaTeX come una funzione in Python, in cui gli argomenti sono racchiusi tra parentesi graffe, e le eventuali opzioni tra parentesi quadre. Ci torneremo con molti esempi, ma la struttura è sempre la stessa:

\comando[opzioni]{argomento1}{argomento2}...{argomentoN}

A.4 Un documento realistico

Passiamo a qualcosa di più interessante—al solito: copiate ed incollate il testo su overleaf, premete il tasto per compilate e confrontate attentamente il codice sorgente con il risultato della compilazione.

\documentclass[11pt, a4paper]{article}

\usepackage[italian]{babel}

\title{Il mio primo documento}
\author{Luca Baldini}
\date{\today}

\begin{document}

\maketitle

\section{Introduzione}

Questo vuole essere un esempio di documento realistico, con lo scopo
di mostrare alcune tra le funzionalià di base di \LaTeX.

\section{Un nuovo capitolo}

Una prima cosa da notare è che, una volta dichiarate le sezioni del
documento, \LaTeX\ si occupa automaticamente della numerazione. Questo
è estremamente utile nel caso in cui si voglia aggiungere una nuova
sezione in mezzo ad un documento in stato avanzato di stesura (non è
necessario rinumerare ciò che viene dopo---\LaTeX\ fa tutto da sola).

Tra l'altro se lasciate una linea vuota, questo segnala l'inizio di
un nuovo capoverso. (Cominciate ad usare i capoversi consapevolmente
per separare blocchi di testo logicamente distinti.)

\subsection{Una sotto-sezione}

Come vedete esistono diversi livelli di sezionamento del documento.

\subsection{Ancora una sottosezione}

Anche a questo livello la numerazione è automatica. Questo consente
anche, in documenti più complessi, la generazione automatica
dell'indice.

\subsection{Conclusioni}

Per il momento ci fermiamo qui, abbiamo abbastanza di cui discutere.

\end{document}

Adesso il nostro preambolo è un pochino più lungo—5 righe, ignorando quelle vuote, per la precisione. Partiamo dalle righe 5–7, che sono le più semplici, e definiscono titolo e autrice (o autore, in questo caso) del documento, e data di compilazione. Notate che, di per sé, nessuna di queste righe produce un effetto visibile a meno di non fare qualcos’altro (ci torneremo tra un attimo). Ricordate: ciò che appare nel documento finale in pdf è tutto e solo quello che è contenuto nel corpo.

Guardiamo invece con attenzione la linea 3.

\usepackage[italian]{babel}

Il comando \usepackage è uno di quelli che troverete di frequente, e permette di sfruttare nel vostro documento pacchetti aggiuntivi che non sarebbero altrimenti inclusi di default. (Con un leggero abuso di linguaggio possiamo dire che \usepackage fa in LaTeX quello che import fa in Python.) In questo caso il pacchetto aggiuntivo in questione è Babel, che fornisce supporto per la redazione di testi in più di 300 linguaggi diversi. Va da sé: l’opzione italian ci dice che stiamo scrivendo un documento in italiano.

Nota

Che cosa ha di particolare un documento redatto in italiano, vi state chiedendo? Beh, tanto per cominciare se commentate per un attimo la linea 3 (a proposito: in LaTeX il carattere per iniziare una linea di commento è %) vi accorgerete immediatamente che la data appare scritta in inglese anziché in italiano. Ha senso no? Ci sono poi le parole generate automaticamente—se generate un indice volete che si chiami Indice o Table of contents? Volete che le didascalie delle figure comincino con Figura o Figure? E quelle delle tabelle con Tabella o Table? Senza contare cose più sofisticate, come la divisione in sillabe nelle andate a capo, le legature e le altre convenzioni tipografiche legate al linguaggio; ma avete colto il punto e possiamo andare avanti.

Passiamo al corpo. La linea 11

\maketitle

è quella che fa fisicamente apparire nell’output pdf il titolo, il nome dell’autore e la data. Provate a commentare la riga e guardate cosa succede.

Andando avanti, confrontando input ed output, noterete che le andate a capo nel pdf non corrispondono a quelle nel file sorgente—non dovreste essere sorprese dal fatto che le interruzioni di linea del documento LaTeX sono ignorate, perché questo fa parte dell’impaginazione, che non è quello su cui dovete concentrarvi quando scrivete. Una linea vuota, invece, segnala l’inizio di un nuovo capoverso, che tipicamente implica tre cose: (i) un’andata a capo nell’output pdf; (ii) un piccolo spazio verticale, e (iii) un rientro all’inizio del capoverso successivo.

A.4.1 Sezionamento

Ma la cosa più importante che impariamo con questo secondo esempio sono i comandi di sezionamento. I documenti di tipo article ammettono due comandi di questo tipo:

\section{}
\subsection{}

che accettano entrambi come (unico) argomento il titolo della sezione o della sotto-sezione, rispettivamente.

Come promesso, LaTeX separa chiaramente la stesura dall’impaginazione. Tutto quello che la scrittrice deve comunicare è l’intento di cominciare una nuova sezione (o sotto-sezione), e ovviamente il titolo di quest’ultima. La tipografa (in questo caso pdflatex) si occupa poi in fase di compilazione di numerare sezioni e sottosezioni, e formattare i titoli (e.g., in grassetto, e con un font leggermente più grande del testo ordinario.)

A.5 LaTeX e la matematica

Se c’è una cosa in cui LaTeX brilla è il supporto alla scrittura di espressioni matematiche. (Non per niente Donald E. Knuth, l’autore originale di TeX, il motore tipografico alla base di LaTeX, è proprio un matematico.)

Per inserire formule matematiche inline (cioè frammiste al testo) basta inserire i comandi corrispondenti tra due caratteri $. Se scrivete $\sigma_{x} = \sqrt{\sigma_{x}^{2}}$, il risultato della compilazione sarà \(\sigma_{x} = \sqrt{\sigma_{x}^{2}}\). Guardate con attenzione, perché senza rendervene conto avete imparato come si fanno le lettere greche, apici e pedici, e la radice quadrata.

Quando invece dovete scrivere vere e proprie equazioni numerate, fisicamente separate dal testo, vi viene in soccorso l’ambiente equation

\begin{equation}\label{eq:oscillatore}
  m \frac{d^{2}x}{dt^{2}} = m \ddot x = -k x
\end{equation}

che, dopo la compilazione, produce \[ m \frac{d^{2}x}{dt^{2}} = m \ddot x = -k x \tag{A.1}\] (Nelle pieghe di questo esempio, vale la pena notarlo, abbiamo introdotto tra le altre cose la sintassi per le frazioni.)

Probabilmente a questo punto vi starete chiedendo che cosa significa il comando

\label{eq:oscillatore}

Semplice: serve a mettere un’etichetta in corrispondenza dell’equazione (ma come vedremo tra un attimo potrebbe essere un qualsiasi oggetto numerato—una figura, una tabella, o il titolo di una sezione) in modo tale che nel seguito possiamo riferirci ad esso per numero con la sintassi

\ref{eq:oscillatore}

che produce dopo la compilazione qualcosa di simile a Equazione A.1. Fermatevi un attimo a pensare: non male, eh?

Nota

Gli spazi all’interno degli ambienti matematici vengono semplicemente ignorati—LaTeX ha un suo algoritmo per determinare automaticamente la spaziatura appropriata trai vari elementi. E, prima che lo scopriate indipendentemente: non è permesso (provare per credere) lasciare linee vuote all’interno dell’ambiente equation.

Chiudiamo la sezione con un’ultima equazione presa dal mondo reale, che mostra un certo numero di comandi utili

\begin{equation}
  \left( \int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^{2}} dx \right)^{2} =
  \sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^{n}}{2n + 1} =
  \prod_{n=1}^{\infty} \left( \frac{n + 1}{n} \right)^{(-1)^{n-1}} =
  \pi
\end{equation}

che dopo la compilazione appare come: \[ \left( \int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^{2}} dx \right)^{2} = \sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^{n}}{2n + 1} = \prod_{n=1}^{\infty} \left( \frac{n + 1}{n} \right)^{(-1)^{n-1}} = \pi \]

Ci fermiamo qui, ma dovreste aver capito che non c’è letteralmente limite alla fantasia!

A.6 Ambienti comuni

Molte delle esigenze più avanzate del semplice testo vengono gestite in LaTeX attraverso specifici ambienti predefiniti. (Ne abbiamo già visto un esempio con l’ambiente equation nella sezione precedente.) Tecnicamente un ambiente è una porzione di documento inclusa tra i due comandi

\begin{ambiente}
[...]
\end{ambiente}

ed in questa sezione illustreremo sommariamente alcuni dei più usati.

A.6.1 Elenchi

Esistono ambienti per la creazione di elenchi puntati

Sorgente

\begin{itemize}
  \item Punto primo.
  \item Punto secondo.
\end{itemize}

Risultato

• Punto primo.
• Punto secondo.

e numerati

Sorgente

\begin{enumerate}
  \item Punto primo.
  \item Punto secondo.
\end{enumerate}

Risultato

1. Punto primo.
2. Punto secondo.

A.6.2 Tabelle

La costruzione delle tabelle è un processo più articolato. L’ambiente di riferimento è tabular, che vediamo subito in azione.

Sorgente

\begin{tabular}{cc}
\hline
Colonna 1 & Colonna 2 \\
\hline
\hline
a & b \\
c & d \\
\hline
\end{tabular}

Risultato

Colonna 1	Colonna 2
a	b
c	d

Analizziamo in dettaglio poche righe di codice sorgente una alla volta. La prima:

\begin{tabular}{cc}

è piuttosto densa di significato. Sostanzialmente segna l’inizio dell’ambiente tabular dichiarando una tabella di due colonne, all’interno delle quali il contenuto è centrato. Notiamo esplicitamente che questo è il primo esempio di comando LaTeX con due argomenti che incontriamo; il contenuto del secondo argomento determina proprio il numero di colonne e l’allineamento orizzontale al loro interno. (Il carattere c sta per center, e non dovrebbe essere difficile indovinare la letterina magica per allineare a destra o a sinistra.)

Le linee orizzontali debbono essere esplicitamente inserite dove volete attraverso il comando \hline ed il contenuto vero e proprio della tabella è strutturato come nella riga seguente:

a & b \\

in cui il carattere & serve da separatore tra celle contigue appartenenti alla stessa riga, mentre il doppio backslash (\\) funge da terminatore di riga. Va da sé, il numero di celle all’interno di ogni riga della tabella deve essere uguale al numero di colonne che avete dichiarato all’apertura dell’ambiente tabular. (Fate attenzione perché i messaggi di errore di LaTeX non sono esattamente famosi per essere semplici da capire.)

Non me ne vogliate per il repentino cambio di direzione, ma nella vita reale non userete mai l’ambiente tabular direttamente nel corpo del testo come mostrato sopra. Più o meno invariabilmente, mettete il contenuto della vostra tabella all’interno dell’ambiente table.

\begin{table}[htb]
\begin{center}
\begin{tabular}{cc}
\hline
Colonna 1 & Colonna 2 \\
\hline
\hline
a & b \\
c & d \\
\hline
\end{tabular}
\caption{Questa è una tabella di esempio.}
\label{tab:esempio}
\end{center}
\end{table}

Un momento: un ambiente all’interno di un altro ambiente? Si, non ci sono leggi che lo proibiscano e, in effetti, si tratta di una pratica piuttosto comune—nell’esempio qui sopra di ambienti annidiati ne abbiamo addirittura tre… E cosa vuol dire mettere l’ambiente tabular (dentro l’ambiente center) dentro l’ambiente table? Beh, succedono sostanzialmente due cose: la prima è che diventa possibile aggiungere una didascalia alla tabella attraverso il comando \caption (bonus track: la didascalia è un oggetto numerato, per cui adesso possiamo riferirci alla tabella nel testo con lo stesso meccanismo di \label e \ref che abbiamo visto per le equazioni). La seconda (e più importante) è che la tabella diventa un oggetto flottante—cioè la sua posizione all’interno del documento finale per la stampa (dopo la compilazione) non è più fissata.

Un attimo. Cosa vuol dire che la posizione di un oggetto non è fissata? Perché dovrei rinunciare al controllo del posizionamento della tabella? Chiaro, se pensate un attimo alla questione della separazione tra stesura ed impaginazione, che era l’elemento chiave da cui siamo partiti in questo capitolo. Mentre scriviamo non abbiamo alcuna idea di dove siamo all’interno della pagina finale al momento cui, nel flusso logico delle cose, inseriamo la tabella. (Tra l’altro la posizione all’interno della pagina cambia continuamente mentre rivediamo il documento.) E se fossimo troppo vicini al margine inferiore della pagina e non ci fosse fisicamente spazio per mettere la tabella? Meglio lasciare un orrendo spazio vuoto e proseguire con la tabella alla pagina successiva, oppure proseguire con il testo che viene dopo la tabella, e trattare quest’ultima come un oggetto flottante che la nostra tipografa (LaTeX) inserirà nell’impaginazione al primo momento opportuno? (La domanda è retorica. Prendete il primo libro mediamente complesso che vi capita sotto mano e rispondetevi da sole.)

Nei primi mesi (o, a seconda dei casi, nei primi anni o decenni) di uso di LaTeX sarà difficile resistere alla mania di controllo e lasciare al suo motore tipografico fare il lavoro sporco. Come spesso accade in questi casi, prima vi arrendete e meglio è. Tra l’altro non è nemmeno del tutto vero che non abbiate alcun controllo, perché se torniamo indietro alla prima riga del nostro esempio

\begin{table}[htb]

i tre caratteri dell’argomento opzionale tra parentesi quadre danno proprio indicazioni a LaTeX (in ordine di importanza) sul piazzamento da privilegiare per l’oggetto

• h: here;
• t: top;
• b: bottom.

(In altre parole stiamo dicendo: cerchiamo di mettere la tabella esattamente nel punto in cui appare nel flusso del testo; se questo non fosse possibile spostiamola in cima alla pagina successiva; se anche questo non fosse possibile, spostiamola in fondo ad una pagina. Va da sé che questi non sono ordini, ma richieste educate, e LaTeX decide in autonomia cosa è meglio per il documento.)

A.6.3 Figure

Siamo giunti all’ultima cosa che, verosimilmente, vi serve per una relazione di laboratorio, ovvero le figure.

La prima cosa che dobbiamo fare è includere il pacchetto graphicx aggiungendo al preambolo (i.e., prima del comando di inizio del documento) l’apposito comando

\usepackage{graphicx}

Questo pacchetto mette a disposizione l’ambiente figure ed il comando \includegraphics, che è quello che userete fisicamente per aggiungere le figure

\begin{figure}[htb]
\begin{center}
\includegraphics[width=0.75\textwisth]{percorso/al/file/grafico}
\end{center}
\caption{Questa è una figura di esempio.}
\label{fig:esempio}
\end{figure}

Ora che siamo fluenti in tabelle, la maggior parte di questo snippet dovrebbe essere auto-esplicativo. L’ambiente figure si comporta in modo analogo a table, mentre il comando vero e proprio della figura

\includegraphics[width=0.75\textwisth]{percorso/al/file/grafico}

accetta come unico argomento il percorso al file grafico contenente la figura e, come opzioni, un certo numero di cose, tra cui la larghezza con cui l’immagine deve essere inserita nel documento.

Nota

Il comando \includegraphics supporta tutti i formati grafici più popolari, inclusi pdf, png e jpg. Prima decidere in che formato salvare il tuo prossimo grafico, dai un’occhiata all’Appendice B.