由于不同领域的研究兴趣和理念方法不同,导致所关注的守恒量不同,至今尚未有统一而严格的可积性定义。这里的守恒量,通常表示首次积分(运动常数)、运动守恒律或对称性。
一个经典的无穷维可积系统的例子是著名的科特韦格-德弗里斯方程(KdV方程):
(1)
该方程是一个完全可积的哈密顿系统,它有无穷多的守恒律、两两对合的首次积分,还可以显式求解。1834年,英国造船工程师J.罗素在运河里发现了波形和速度几乎不变的单个凸起的水波。他猜测这种波应该是某个流体力学方程的一个稳态解,但遗憾的是他没能证实这个猜测。第一个实质性进展出现在60年后,D.J.科特韦格和G.德弗里斯在浅水长波和小振幅的假设下,建立了单向运动的非线性水波运动方程,后人称之为KdV方程。众所周知,KdV方程具有如下形式的解:
(2)
式中为常数。该解描述了图1所示的孤立波,从解的结构可以看出其传播速度和振幅正相关,即振幅越大,速度越快。
此外,该孤立波解还有如下特性:当两个振幅和速度不同的波发生碰撞时,两个波的波形和波速保持不变(图2)。1965年,N.J.萨布斯基和M.D.克鲁斯卡把这样的孤立波正式命名为孤立子。孤立子的存在充分证实了罗素的猜测。
自从19世纪末H.庞加莱指出三体问题是不可积之后,人们意识到可积系统是非常稀少的,绝大多数动力系统都不可积,因而在很大程度上降低了对可积系统的关注。直到孤立子系统的大量发现,这种状况才有了重大的转变。20世纪50年代中期,E.费米、J.帕斯塔和S.M.乌兰在用数值模拟非线性晶格(FPU模型)在各个振动膜之间的转换时,惊奇地发现,晶格的能量经过很长时间又回到了开始地方,即如果有非线性项存在,能量就会均匀分布,这意味着大量的非线性系统可以出现孤立子。1962年,J.K.佩林和T.H.R.斯格林将正弦-戈登方程用于基本粒子的研究时,找到了孤立子。1967年,S.L.麦考尔和E.L.哈恩做出了激光感应透明孤立波实验。同年,C.S.加德纳、J.M.格林、M.D.克鲁斯卡和R.M.缪拉提出了求解KdV方程的反散射方法。后来,人们发现了更多的孤立子系统,如非线性薛定谔方程、布森涅斯克方程等,并且证明了这些系统都是可积的,从而掀起了无穷维可积系统研究的新浪潮,相应理论研究也在不断地深入。人们相继建立了零曲率方程、拉克斯对等可积系统结构理论,并发展了可积系统的逆散射变换、达布变换以及贝克隆变换等求解方法。随着更多具有物理背景的可积系统被发现,无穷维可积系统理论和成果已经成功应用到非线性电磁学、光学、等离子物理,以及大气、海洋等众多应用学科中,受到更为广泛的关注。