gnuplotは便利ですがあくまでグラフの描画にとどまります。「軸のラベルに数式を使いたい」と思ってもgnuplot単体ではできません。そこでTeXと連携することで数式を埋め込むことを試みます。

(以下ほぼ自分用のメモみたいなものです。)

gnuplotからグラフを書き出してTeXに埋め込むにはpngやepsを使うことが多いかと思います。特にepsでは目的であるTeXで数式を埋め込むということができるようです(やったことないので詳しいことはわかりません)。
しかしどうやらナウい方法はTikZを使う方法のようです。TikZはTeX文章中に描画コマンドを書き込むことでなんでもかけちゃう(？)代物とのこと。
ではさっそくやってみます。

こちらの環境はMac OS X 10.10にMacTeX 2014です。
(UpTeXを使っていたのですがどうもUpTeXではTikZが使えないようで悪戦苦闘した末にMacTeXに乗り換えました。)

いきなり最低限のルートを説明してもよいのですが少し説明を。
gnuplotから書きだしたものをTeXに埋め込むにはgnuplot-lua-tikz.styが必要です。このファイルはgnuplotがインストールされたディレクトリのどこかにあります。僕の場合は/usr/local/Cellar/gnuplot/4.6.6/share/texmf/tex/latex/gnuplotにありました。
こちらのスタイルファイルをTeXに通すかまたは埋め込みたいTeXファイルのあるディレクトリに直接置きます。

gnuplot > set term tikz createstyle

とすると現在いるディレクトリにgnuplot-lua-tikz.sty、gnuplot-lua-tikz.tex、gnuplot-lua-tikz-common.texの3つが生成されるのでコンパイルするTeXファイルがあるディレクトリでこのコマンドを叩けばよいです。

それではgnuplotからグラフを書き出してみたいと思います。

gnuplot > set term tikz
gnuplot > set output "graph.tex"
gnuplot > plot x

ちなみに1行目のgnuplot > set term tikzですが、gnuplot > set term tikz createstyleをした人は必要ありません。
これでgraph.texというファイルが生成されたと思います。後はこのTeXファイルを本体のTeXファイルからインクルードすればOKです。

プリアンブルには最低限

\usepackage[dvipdfmx]{graphicx}
\usepackage{gnuplot-lua-tikz}

を追加してください。最後に本文で次のようにインクルードしてください。

\begin{figure}
  \begin{center}
    \include{graph}
    \caption{TikZ}
  \end{center}
\end{figure}

以上で最低限TikZを使ってgnuplotのグラフをTeXに貼り付けることが出来ます。