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Tkinter 里怎么把 LaTeX 公式和中文排在同一行——奥赛题库 OlympiadMath

本系列：把这两年用 Python 写的十几个小项目挨个开源、挨个说清楚。不讲”我做了什么”，讲”做的过程中被什么打脸、最后怎么想明白的”。 第 12 篇 · 奥赛题库 OlympiadMath（上一篇：核痕 KeHen） 源码：github.com/ghostgorge/OlympaidMath Python + Tkinter 桌面程序，单文件 exe，小/初/高三档共 72 道题

一、先说这是个什么东西

小学 / 初中 / 高中三档数学奥赛题库，公式用 LaTeX 显示，全部题目笔算即可（不需要计算器、不需要编程），每题给提示 / 思路 / 完整解答 / 答案四层帮助。

学段题数难度分布覆盖专题
小学24★1 /
★★11 /
★★★9 /
★★★★3		巧算、行程、工程、数论、周期、抽屉、计数、几何、数阵图、逻辑推理、最值
初中24★★9 /
★★★10 /
★★★★4 /
★★★★★1		代数变形、数论、平面几何、组合、不等式
高中24★★5 /
★★★10 /
★★★★6 /
★★★★★3		三角、数列、复数、函数方程、数论、组合几何、立体几何、解析几何、概率、不等式

难度对照：★★ 及以下是热身/课内拔高，★★★ 是联赛一试水平，★★★★ 是二试水平，★★★★★ 是 IMO / 二试压轴（比如 IMO 1990-3、IMO 1995-2、Sylvester–Gallai）。

界面默认只显示题面，提示、思路、解答、答案全部要手动展开。这是刻意的——先动笔，再看。一个把答案默认摊开的题库，会让人不知不觉变成”看解答”而不是”做题”。

二、这个项目真正的技术活：中文和公式排在一行

Tkinter 没有公式排版能力。常见的几种做法都有硬伤：

做法问题
整段丢给 matplotlib 渲染成图中文要给 matplotlib 配中文字体（打包后经常缺）；整段变成图，不能选中、不能复制、不能自动换行
嵌一个浏览器控件跑 MathJax拖进来一个几十 MB 的运行时，单文件 exe 直接废掉
公式退化成纯文本稍微复杂一点就没法看

我的方案是混排，一句话概括：

中文不进 matplotlib。

具体做法：

  1. 整行文本按 $ 切开
  2. 中文和普通字符用 Tk 原生字体直接写进 Text 控件——可选中、可复制、自动换行
  3. 只有 $...$ 里的公式交给 matplotlib 的 mathtext 光栅化，贴成行内图片
  4. 用 mathtext 返回的 depth 和当前字体的 descent 做基线对齐

第 4 步是关键。行内公式如果不做基线对齐，分数线和汉字底部会错开一两个像素——看起来说不出哪里怪，但就是很怪。

这个方案的连带好处：

  • 不需要 matplotlib 去找中文字体（打包后最容易出问题的一环直接绕开）
  • 图片只包含公式，体积小、缓存命中率高（同一个公式在提示和解答里出现两次，只渲染一次）
  • 不依赖 Pillow——自己拼 PNG 转 Tk PhotoImage，少一个依赖

三、mathtext 只支持 LaTeX 的一个子集

matplotlib 的 mathtext 不是完整的 LaTeX，很多常见写法它不认：\ge、\le、\pmod、\frac1x（不带花括号）、\underbrace、\displaystyle、\tfrac、\bigl……

两个选择：要求题库按 mathtext 的规矩写，或者写一个兼容层。

我选了后者（app/latexfix.py），理由很实际：题库是要给人写的，而人会按正常 LaTeX 习惯写。 一个”必须记住哪些命令不能用”的题库格式，会在第 10 道题的时候被放弃。

兼容层的成本是一次性的，而”要求所有人记住限制”的成本是每次都要付的。

四、降级要能降得下去

matplotlib 装不上也能跑——公式会退化成可读的纯文本（(1)/(2)、√(3) 这种），程序不崩。

这条看起来是小事，但它决定了这个 exe 能不能随手发给一个不懂技术的人。一个”缺了某个库就白屏”的工具，等于要求每个用户都会配环境。

五、打包这一节，可能是全系列最有复用价值的

这个项目的 build_exe.bat 和 spec 里预先规避的坑，几乎是我这两年所有 PyInstaller 经验的合集。挨条列一下：

关于 matplotlib（这条是这个项目独有的）

MPLCONFIGDIR 必须固定到 %APPDATA%\OlympiadMath\mplcache。 否则单文件 exe 每次启动都要重建 matplotlib 字体缓存，首次渲染公式要等十几秒——用户会以为程序卡死了。

单文件 exe 每次运行都解压到一个新的临时目录，matplotlib 找不到上次的缓存，于是每次都重建。这个问题只在打包后出现，源码运行时完全正常。

关于 pywin32

spec 里排除 pythoncom / pywintypes / win32com / win32api，并用 pyi_hooks/ 里的空 hook 覆盖官方 hook。原因：机器上 pywin32 装了但没跑 postinstall 时，官方 hook 会在 Analysis 阶段直接崩（报 Failed to retrieve attribute __file__ from module pythoncom），跟你的程序毫无关系。

关于 excludes 的边界

不能排除标准库和 setuptools——PyInstaller 的运行时 hook 依赖它们，排掉后 exe 一启动就崩在 pyi_rth_pkgres.py。 excludes 只用来排 matplotlib/scipy/PyQt 这类重型第三方库。

关于”双击没反应”

console=False 下 sys.stdout 可能是 None，入口处任何一句 print() 都会 AttributeError——又一种”双击没反应”。所以入口装了黑洞流兜底，启动全程包在 try 里，出错写日志（%APPDATA%\OlympiadMath\startup.log）并弹 MessageBox。

排查手段是打一个 build_exe_debug.bat（onedir + 带控制台）：能跑而单文件不能 → 问题在解压到 %TEMP%；调试版也挂 → 控制台直接给 traceback。

关于挑解释器和装依赖

按 py -3.12 → 3.11 → 3.9 → 3.8 → python 的顺序挑（PATH 里的 python 通常是 Anaconda，排最后），可用 set OM_PY= 覆盖。

依赖判断用 import 而不是 pip 的退出码——某些机器上 pip 会因为坏掉的包元数据直接崩溃（比如 pyodbc 的版本号写成 4.0.0-unsupported，不合 PEP 440，导致该环境下任何 pip 命令在”列出已安装包”阶段就退出码 2），跟你的项目毫无关系。

装依赖先试 --user 再试普通安装——python 装在系统目录、当前账号没写权限时会报 WinError 5。失败了给出三条能照着做的修法，而不是甩一段 traceback。

关于产物校验

打完校验体积，低于 8MB 直接判失败。（这条的来历见烬塔那篇：.bat 收尾横幅里一个裸的 > 被 cmd 当成重定向，把刚打好的 exe 覆盖成了 11 字节文本。）

六、一个很划算的自检项

打包前的题库自检里有一条：真的光栅化一个样例公式。

它守的不是题库，是依赖——matplotlib 换个版本、mathtext 的接口变了，这条会在打包之前就红，而不是等到用户双击 exe、点开第一道题、发现公式全变成红叉。

凡是依赖第三方渲染/解析的功能，自检里要有一个真正跑通端到端的样例。 只检查”能 import”是不够的。

自检也能在程序里跑（帮助 → 题库自检），它会把所有渲染不了的公式列出来——所以自己加题的人不用等报错，写完直接自检一遍。

七、其他功能

  • 筛选：学段 / 专题 / 难度 / 状态四个维度 + 全文搜索（搜题面、标题、标签、思路）
  • 组卷：按学段和难度区间随机抽 N 题，生成”题目卷 + 解答卷“两个文件。可选 Markdown 或可打印 HTML——HTML 版能留答题空白，公式用 MathJax 渲染，直接 Ctrl+P 打印
  • 错题本：标记错题后，「练习 → 只看错题」，或组卷时把抽题范围选成”错题”，就是一份错题重做卷
  • 笔记：每题可以记自己的做法和卡住的地方
  • 自己加题：把 .json 丢进 %APPDATA%\OlympiadMath\我的题库\，按 F5 就加载进来，和内置题库一起筛选、组卷

做题记录存在 %APPDATA%\OlympiadMath\progress.json——换版本、重新打包都不会丢。

快捷键：←/→ 翻题 · R 随机 · H/I/S/A 提示/思路/解答/答案 · F 收藏 · 1/2/3 标记已掌握/待复习/错题 · Ctrl+P 组卷 · F5 重载题库

pip install matplotlib
python main.py
python main.py --selftest    # 题库结构 + 全部公式能否渲染
双击 build_exe.bat           # 出 dist\OlympiadMath.exe

尾巴

两条带得走的：

一、”哪部分交给谁”比”用什么库”更重要。 公式排版这件事，整段丢给 matplotlib 是最省事的写法，但它同时把中文字体问题、可选中、自动换行全都赔进去了。按 $ 切开、各交各的，才是那个刚好的边界。

二、兼容层的成本是一次性的，”要求所有人记住限制”的成本是每次都要付的。

另外，这篇里的打包清单如果你在用 PyInstaller，建议单独存一份——尤其 MPLCONFIGDIR 那条，它只在打包后出现、只表现为”首次渲染要等十几秒”，很难从现象反推到原因。

📦 源码：https://github.com/ghostgorge/OlympaidMath

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