Metric graphs are structures obtained by associating edges in a standard graph with segments of the real line and gluing these segments at the vertices of the graph. The resulting structure has a natural metric that allows for the study of differential operators and stochastic processes on the graph. Brownian motions in these domains have been extensively studied theoretically using their generators. However, less work has been done on practical algorithms for simulating these processes. We introduce the first algorithm for simulating Brownian motions on metric graphs through a timestep splitting Euler-Maruyama-based discretization of their corresponding stochastic differential equation. By applying this scheme to Langevin diffusions on metric graphs, we also obtain the first algorithm for sampling on metric graphs. We provide theoretical guarantees on the number of timestep splittings required for the algorithm to converge to the underlying stochastic process. We also show that the exit probabilities of the simulated particle converge to the vertex-edge jump probabilities of the underlying stochastic differential equation as the timestep goes to zero. Finally, since this method is highly parallelizable, we provide fast, memory-aware implementations of our algorithm in the form of custom CUDA kernels that are up to ~8000x faster than a GPU implementation using PyTorch on simple star metric graphs. Beyond simple star graphs, we benchmark our algorithm on a real cortical vascular network extracted from a DuMuX tissue-perfusion model for tracer transport. Our algorithm is able to run stable simulations with timesteps significantly larger than the stable limit of the finite volume method used in DuMuX while also achieving speedups of up to ~1500x.


翻译:度量图是通过将标准图中的边与实线段相关联,并将这些线段在图的顶点处粘合而获得的结构。所得结构具有自然的度量,允许在图上的微分算子和随机过程的研究。这些域中的布朗运动已通过其生成元在理论上得到广泛研究。然而,关于模拟这些过程的实用算法的工作较少。我们首次提出了一种算法,通过基于时间步分裂的欧拉-丸山方法离散化其对应的随机微分方程,来模拟度量图上的布朗运动。通过将该方案应用于度量图上的朗之万扩散,我们还获得了度量图上的首个采样算法。我们提供了关于算法收敛到基础随机过程所需时间步分裂次数的理论保证。我们还证明了当时间步趋于零时,模拟粒子的退出概率收敛到基础随机微分方程的顶点-边跳跃概率。最后,由于该方法高度可并行化,我们以自定义CUDA内核的形式提供了算法的快速、内存感知实现,在简单的星形度量图上比使用PyTorch的GPU实现快约8000倍。除了简单的星形图外,我们还在从DuMuX组织灌注模型中提取的真实皮质血管网络上对算法进行了基准测试。我们的算法能够以显著大于DuMuX中使用的有限体积方法稳定极限的时间步长运行稳定模拟,同时实现高达约1500倍的加速。

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