【LaTeX】定理環境amsthmパッケージの使い方を徹底解説

$\LaTeX$ の定理環境によく用いられる，amsthm パッケージについて，その使い方を徹底的に解説します。

定理環境amsthmの基本的な使い方
定理番号の変え方
定理のスタイルを自作する
その他
1. 斜体のうち一部だけを元に戻したい
2. citeと一緒に使うときは{}で囲むこと
amsthmにおけるプリアンブルのかき方の例
証明環境
さらに細かく設定したい場合は
参考

定理環境amsthmの基本的な使い方

amsthm パッケージを用いるには，プリアンブルに \usepackage{amsthm} とかきましょう。\usepackage{amsmath} の後にかいてください (amsmathも同時に使用する場合。本記事はこれを読み込んでいるものとします)。

プリアンブルに使いたい定理の名前と，そのコマンドを指定します。以下の例を見てください。

\theoremstyle{plain}
\newtheorem{thm}{Theorem}
\newtheorem*{thm*}{Theorem}

\theoremstyle{definition}
\newtheorem{dfn}{Definition}

まずは \theoremstyle{} コマンドで，定理のスタイルを指定します。選べるスタイルは，以下の3つです。

定理スタイル	スタイルの詳細	例
`plain`	見出し太字，本文斜体，上下にスペースが入る	$\text{{\bf Theorem 1.} \, {\it The function} } f \cdots$
`definition`	見出し太字，本文普通，上下にスペースが入る	$\text{{\bf Definition 1.} \, { The function} } f \cdots$
`remark`	見出し斜体，本文普通	$\text{{\it Remark 1.} \, { The function} } f \cdots$

デフォルトスタイルは plain です。日本語は斜体にならないため，日本語で用いる場合は，常に definition スタイルを用いるのが良いでしょう。スタイルのカスタマイズ方法は後述します。

その後に続くのが，\newtheorem{コマンド名}{出力する定理名} や， \newtheorem*{コマンド名}{出力する定理名} です。ここで，定理環境を定義しています。* の有無は，定理に番号をつけるかどうかです。「出力する定理名」は日本語でも構いません。

たとえば，上の例のようにプリアンブルで \newtheorem{thm}{Theorem} や \newtheorem{thm*}{Theorem} とした場合，本文中に \begin{thm}[コメント] ~~~ \end{thm} や \begin{thm*}[コメント] ~~~ \end{thm*} として，定理環境を使用できます。コメントはなくてもよいです。

以下に例を挙げましょう。以下は本文中のコードです。

\begin{thm}
  hogehoge
\end{thm}

\begin{thm*}
  fugafuga
\end{thm*}

\begin{thm}[big]
  hogehoge 2 
\end{thm}

\begin{dfn}[new object]
  def
\end{dfn}

定理番号の変え方

ここからは，定理番号について掘り下げます。

特に記述のない限り，プリアンブルは最初，以下のようになっているとします。

\theoremstyle{plain}
\newtheorem{thm}{Theorem}
\newtheorem*{thm*}{Theorem}

\theoremstyle{definition}
\newtheorem{dfn}{Definition}

Theorem 3.4. のようにセクション番号を付与する

上の場合，定理番号は Theorem 1, Theorem 2 のように出力されていました。これを，セクション番号を付与して，Theorem 1.1, Theorem 1.2 のようにするには，プリアンブルの定義を

\newtheorem{thm}{Theorem}[section]

のようにします。こうすることで，例えば以下のように出力可能です。

\section{new section}

\begin{thm}
  hogehoge
\end{thm}

\begin{thm}[big]
  hogehoge 2
\end{thm}

同様にして，サブセクションまで出力したい場合は \newtheorem{thm}{Theorem}[subsection] とし，本の場合は \newtheorem{thm}{Theorem}[chapter] などとすればよいです。

別の定理環境でも番号を連番にする

現在のところは，例えば

のように，各定理環境ごとに，バラバラに番号が振られます。これを，Theorem 1, Theorem 2, Definition 3 のように連番にするには，プリアンブルは以下のようにします。

\theoremstyle{plain}
\newtheorem{thm}{Theorem}
\newtheorem*{thm*}{Theorem}

\theoremstyle{definition}
\newtheorem{dfn}[thm]{Definition}

\newtheorem{dfn}{Definition} だった部分が \newtheorem{dfn}[thm]{Definition} に変わっていますね。このように，前に定義した定理環境をかくことによって，共通の番号を振ることが可能です。このとき，以下のような出力になります。

これは，さっきのセクション番号と併用可能です。プリアンブルに

\theoremstyle{plain}
\newtheorem{thm}{Theorem}[section]
\newtheorem*{thm*}{Theorem}

\theoremstyle{definition}
\newtheorem{dfn}[thm]{Definition}

とかけば，以下のように出力できます。

定理番号を先に出力する

「1 Theorem.」のように，先に番号をつけてから，定理の名称を書きたい場合，プリアンブルで定理環境を定義する最初に \swapnumbers コマンドを用います。すると，それ以降の定理環境の定義において，番号と定理名が逆転します。たとえば，

\theoremstyle{plain}
\newtheorem{thm}{Theorem}[section]
\newtheorem{prop}[thm]{Proposition}

\swapnumbers
\newtheorem{thmsw}[thm]{Theorem}
\newtheorem{propsw}[thm]{Proposition}

として，

\begin{thm}
  hogehoge
\end{thm}

\begin{thmsw}
  fugafuga
\end{thmsw}

とかけば，以下のように出力されます。

あるいは，定理環境を自作しても良いでしょう。定理環境の自作は後述します。

定理の番号を途中からはじめる

定理の番号を途中から始めたいときは，文章中の該当する定理が出てくる前に \setcounter{thm}{4} などとかきましょう。こうすると，この次の定理の番号は 5 になります。

定理番号をリセットしたいときは \setcounter{thm}{0} です。thm のところは自分の定理環境に合わせて変えてください。

定理の番号様式の変更

Theorem A, B のようにアルファベットにするには，プリアンブルに

\renewcommand{\thethm}{\Alph{thm}}

とかき，Theorem I, II のようにローマ数字にするには，

\renewcommand{\thethm}{\Roman{thm}}

のようにします。thm, thethm の部分は，自分の定理環境に合わせて変えてください。

定理のスタイルを自作する

\newtheoremstyle コマンドを用いた，定理スタイルを自作する方法を紹介します。以下を見てください。

\newtheoremstyle{mystyle}%   % スタイル名
    {3pt}%                   % 上部スペース
    {3pt}%                   % 下部スペース
    {\itshape}%              % 本文フォント
    {12pt}%                  % 1行目のインデント量
    {}%                      % 見出しフォント
    {:}%                     % 見出し後の句読点
    { }%                     % 見出し後のスペース
    {}%                      % 見出しの書式(後述)

「本文フォント・見出しフォント」は \itshape (斜体)，\bfseries (太字)，あるいは空欄か \normalfont にすると普通の文字になります。

「1行目のインデント量」は，デフォルトは無しです。\parindent とすれば，普通の段落と同じだけのインデントを入れることができます。

「見出し後のスペース」は，{ } のように半角スペースを入れると，デフォルトになります。\newline とすると，改行されてから定理が始まります。

上のスタイルを，実際に使ってみましょう。\theoremstyle{mystyle} とし，これを用いて $E=mc^2$ という定理を述べましょう。

\theoremstyle{mystyle}
\newtheorem{mythm}{Theorem}[section]

\begin{document}
\section{new section}
\begin{mythm}[Einstein]
  It holds that
  \begin{equation*}
    E=mc^2,
  \end{equation*}
  where \(c\) means the speed of light.
\end{mythm}
\end{document}

ちゃんと期待したとおりの出力になっているのを，確認してください。

\newtheoremstyle{mystyle}{}{}{}{}{}{}{}{} の最後の {} には，定理の書式を指定します。

\newtheoremstyle{mystyle}%   % スタイル名
    {}%b                     % 上部スペース
    {}%                      % 下部スペース
    {\itshape}%              % 本文フォント
    {}%                      % 1行目のインデント量
    {\bfseries}%             % 見出しフォント
    {.}%                     % 見出し後の句読点
    { }%                     % 見出し後のスペース
    {\thmname{#1}\thmnumber{ #2}\thmnote{ (#3)}}

とすれば，

となり，

\newtheoremstyle{mystyle}%   % スタイル名
    {}%b                     % 上部スペース
    {}%                      % 下部スペース
    {\itshape}%              % 本文フォント
    {}%                      % 1行目のインデント量
    {\bfseries}%             % 見出しフォント
    {.}%                     % 見出し後の句読点
    { }%                     % 見出し後のスペース
    {\thmname{#1}\thmnumber{ #2}\thmnote{ #3}}

のように，\thmnote 部分の () を除けば，

のように，定理後のコメント部分の括弧がなくなります。ここで，コメント部分も太字になっていますが， \thmname{#1}\thmnumber{ #2}\thmnote{\normalfont #3} などとすれば，コメント部分は太字じゃなくなります。

また，\thmnumber{#2} \thmname{ #1}\thmnote{ (#3)} などとすれば，定理番号とTheoremの文字を入れ替えることができるはずです。

その他

斜体のうち一部だけを元に戻したい

定理環境においては，(1) なども (1) のように斜体になってしまいます。ただ，括弧が斜めだとみっともないと思うかもしれません。このときは，\textup{} コマンドで斜体を解除できます。

たとえば，\textup{(1)} とすれば，(1) となり，\textup(1\textup) とすれば，(1) と，括弧のみの斜めを解除します。

ただし，定理環境全体の斜体を解除したいのであれば，そもそも別の定理スタイルを指定するのが良いでしょう。

citeと一緒に使うときは{}で囲むこと

$\text{{\bf Theorem 1} ([1]){\bf .} }$ のようにするには，単に

\begin{thm}[\cite{~}] ~~~ \end{thm}

などとすればよいです。一方で， $\text{{\bf Theorem 1} ([1, Theorem 3]){\bf .} }$ のようにするには，

\begin{thm}[{\cite[Theorem 3]{~}}] ~~~ \end{thm}

のように，\cite の部分全体を {} で囲まないとエラーが出ます。注意してください。

amsthmにおけるプリアンブルのかき方の例

amsthm パッケージにおける，プリアンブルのかき方の例を記しておきましょう。定理番号は全て連番であるとし，スタイルはデフォルトに用意されたものを用いるとします。

まずは，英語の場合のかき方の例です。def という環境は既に使われていて使えないため，定義環境のコマンドは dfn としています。

\usepackage{amsmath}
\usepackage{amsthm}

\theoremstyle{plain}
\newtheorem{thm}{Theorem}[section]
\newtheorem{lem}[thm]{Lemma}
\newtheorem{prop}[thm]{Proposition}
\newtheorem{cor}[thm]{Corollary}
\newtheorem{conj}[thm]{Conjecture}

\theoremstyle{definition}
\newtheorem{ass}[thm]{Assumption}
\newtheorem{dfn}[thm]{Definition}

\theoremstyle{remark}
\newtheorem{rem}[thm]{Remark}

\theoremstyle{plain}
\newtheorem*{thm*}{Theorem}
\newtheorem*{lem*}{Lemma}
\newtheorem*{prop*}{Proposition}
\newtheorem*{cor*}{Corollary}
\newtheorem*{conj*}{Conjecture}

\theoremstyle{definition}
\newtheorem*{ass*}{Assumption}
\newtheorem*{dfn*}{Definition}

\theoremstyle{remark}
\newtheorem*{rem*}{Remark}

日本語の例も述べておきましょう。

\usepackage{amsmath}
\usepackage{amsthm}

\theoremstyle{definition}
\newtheorem{thm}{定理}[section]
\newtheorem{lem}[thm]{補題}
\newtheorem{prop}[thm]{命題}
\newtheorem{cor}[thm]{系}
\newtheorem{ass}[thm]{仮定}
\newtheorem{conj}[thm]{予想}
\newtheorem{dfn}[thm]{定義}
\newtheorem{rem}[thm]{注}

\newtheorem*{thm*}{定理}
\newtheorem*{lem*}[thm]{補題}
\newtheorem*{prop*}[thm]{命題}
\newtheorem*{cor*}[thm]{系}
\newtheorem*{ass*}[thm]{仮定}
\newtheorem*{conj*}[thm]{予想}
\newtheorem*{dfn*}[thm]{定義}
\newtheorem*{rem*}[thm]{注}