一个典型的例子:波动方程(为了简单起见,让我们在1d中工作,但想法很一般):
$$\partial_t^2u=\ partial_x^2u$$
设$v=\partial_tu$和$w=\parcial_xu$。然后,上述等式变为
$$\partial_tv=\ partial_xw$$
作为同一函数$u$的两个不同的偏导数,$v$和$w$通过偏导数的互换性相关:
$$\partial_tw=\ partial_xv$$
上述两个方程可以写成矩阵形式
$$\partial_t{v\choose w}=S\partial _x{v\ choose w}$$
其中$S$是对称矩阵
$$\开始{pmatrix}0&1\\1&0\结束{pmatricx}$$
另一方面,在标准双线性乘积下(为了简单起见,让我们使用实值函数)
$$\langle f,g\rangle=\int f(x)g(x)dx$$
$\partial_x$是一个反对称运算符,这得益于按部件进行的积分:
$$\langle\partial_xf,g\rangle=\int\partial _xf(x)\cdot g(x)dx=-\int f(x$$
由于$S$和$\partial_x$通勤,$S\partial _x$也是反对称的:
$$(S\partial_x)^T=\partial _x ^T \ circ S^T=-\partial-x\circ S=-S\partial.x$$
因此,变量$X=(v,w)^T$中的波动方程如下
$$\partial_tX=AX$$
其中$A=S\partial_x$是反对称的。在有限维(双)线性代数中,我们知道反对称矩阵生成的流保持双线性形式。这推广到无限维函数空间的设置。因此,上述演化方程保持双线性形式
$$\langle X,X\rangle=\int(v(X)^2+w$$
能量密度自然弹出:
$$e(x)=\partial_tu(x)^2+\partial_xu(x)^2$$
瞧!
PS(聚苯乙烯)上述过程可广泛推广到对称(甚至可对称)双曲系统。有关教科书参考,请参阅迈克尔·泰勒的第5章,伪微分算子与非线性偏微分方程.