EDIT
, если вы хотите изменить шрифты, используемые LaTeX внутри matplotlib, посмотрите эту страницу
http://matplotlib.sourceforge.net/users/ usetex.html
один из примеров:
from matplotlib import rc
rc('font',**{'family':'sans-serif','sans-serif':['Helvetica']})
## for Palatino and other serif fonts use:
#rc('font',**{'family':'serif','serif':['Palatino']})
rc('text', usetex=True)
Просто выберите свой любимый!
И если вам нужен жирный шрифт, вы можете попробовать \mathbf
plt.title(r'$\mathbf{W_y(\tau, j=3)}$')
EDIT 2
Ниже вы сделаете полужирный шрифт по умолчанию для вас
font = {'family' : 'monospace',
'weight' : 'bold',
'size' : 22}
rc('font', **font)