Sistematično je raziskoval aritmetično teorijo kvadratnih form z dvema ali več spremenljivkami. Njegov Liouvillov izrek v statistični mehaniki, pa kaže, da je bil ustvarjalen na popolnoma drugem področju. Iz izreka izhajajo prednosti faznega prostora, ki ga je vpeljal Watson leta 1876. Stanju sistema ustreza točka v faznem prostoru in prostornina faznega prostora, ki ustreza množici sistemov, se s časom ne spreminja. Slika sistemov se v faznem prostoru giblje kot nekakšna večrazsežnanestisljivatekočina. V ravnovesju pri konstantni temperaturi je energija določena in se slika sistemov giblje po večrazsežni ploskvi, ki ustreza konstantni energiji W. Porazdelitev imenujejo tudi kanonično. Pri tem enačba izraža osnovno spoznanje, da so vse točke faznega prostora za sistem enakopravne in je verjetnost dP sorazmerna s prostornino faznega prostora in z Boltzmannovim faktorjem. Z integralom v imenovalcu dosežemo, da je integral verjetnosti po vsem faznem prostoru enak 1.