nparrayの配列(ex:[1 0 3 0 0])の0を一つ3にしたときに一致する配列(ex:[1 3 3 0 0])をリストの中から探す。

Question

前提・実現したいこと

[[0 1 3 3 0]
[1 0 3 0 0]
[1 0 3 3 0]
[1 3 3 0 0]
[1 3 0 0 0]]
というnparrayの配列についてです。１つ目（[1 0 3 0 0]）の0のいずれか1箇所に3を追加すると2つ目（[1 0 3 3 0]）、3つ目（[1 3 3 0 0]）になります。なので、［2 3 0］と出力させたいです。それを0つ目から4つ目まで全て行い、それをまた別のnparrayの配列に出力させたいです。つまり、
[[0 0 0]
[2 3 0]
[0 0 0]
[0 0 0]
[3 0 0]]
という配列を出力させたいです。
以下のコードで実現はできるのですが、速度があまり早くありません。実際はこの配列の要素はもっと多いのであまり時間がかかりすぎると少々不都合がありまして。。

書いたコード（print抜）

import numpy as np
lst = np.array([[0,1,3,3,0],[1,0,3,0,0],[1,0,3,3,0],[1,3,3,0,0],[1,3,0,0,0]])#質問の一番上に書いてる配列と同じ
lst2 = np.zeros((10,3))#後に、質問の上から二番目に書いてる配列と同じになる
for i in range(len(lst)):#0つ目から試す（3にする前のもの）
    lst2_temp = []
    for j in range(len(lst)):#0つ目から試す（3にした後のもの）
        if int(np.count_nonzero(lst[j] > 0)) - int(np.count_nonzero(lst[i] > 0)) == 1:#それらの配列の0の数が一つ違う = 3が一つ増えた
            if np.count_nonzero(np.logical_and(lst[j]-lst[i] != 3, lst[j]-lst[i] != 0)) == 0:#それらの配列の差をとったときに、3でも0でもないところがない = 3が一つ増えた以外の変化はない
                lst2_temp.append(j) #3にしたあとのものの番号を記録する
    for j in range(len(lst2[0])-len(lst2_temp)):#リストの長さを3に調整するためのもの
        lst2_temp.append(0)
    lst2[i] = np.array(lst2_temp)#これで、質問の上から二番目に書いてる配列と同じになる

書いたコード（print込）

import numpy as np
lst = np.array([[0,1,3,3,0],[1,0,3,0,0],[1,0,3,3,0],[1,3,3,0,0],[1,3,0,0,0]])#質問の一番上に書いてる配列と同じ
lst2 = np.zeros((10,3))#後に、質問の上から二番目に書いてる配列と同じになる
print(lst)
for i in range(len(lst)):#0つ目から試す（3にする前のもの）
    lst2_temp = []
    print()
    print("i:",lst[i])
    for j in range(len(lst)):#0つ目から試す（3にした後のもの）
        print("j:",lst[j])
        print("i_num:",np.count_nonzero(lst[i] > 0))
        print("j_num:",np.count_nonzero(lst[j] > 0))
        if int(np.count_nonzero(lst[j] > 0)) - int(np.count_nonzero(lst[i] > 0)) == 1:#それらの配列の0の数が一つ違う = 3が一つ増えた
            print(lst[j]-lst[i])
            if np.count_nonzero(np.logical_and(lst[j]-lst[i] != 3, lst[j]-lst[i] != 0)) == 0:#それらの配列の差をとったときに、3でも0でもないところがない = 3が一つ増えた以外の変化はない
                print(j)
                lst2_temp.append(j)#3にしたあとのものの番号を記録する
    for j in range(len(lst2[0])-len(lst2_temp)):#リストの長さを3に調整するためのもの
        lst2_temp.append(0)
    print("lst2_temp:",lst2_temp)
    lst2[i] = np.array(lst2_temp)#これで、質問の上から二番目に書いてる配列と同じになる
print(lst2)

出力されたもの

[[0 1 3 3 0]
 [1 0 3 0 0]
 [1 0 3 3 0]
 [1 3 3 0 0]
 [1 3 0 0 0]]

i: [0 1 3 3 0]
j: [0 1 3 3 0]
i_num: 3
j_num: 3
j: [1 0 3 0 0]
i_num: 3
j_num: 2
j: [1 0 3 3 0]
i_num: 3
j_num: 3
j: [1 3 3 0 0]
i_num: 3
j_num: 3
j: [1 3 0 0 0]
i_num: 3
j_num: 2
lst2_temp: [0, 0, 0]

i: [1 0 3 0 0]
j: [0 1 3 3 0]
i_num: 2
j_num: 3
[-1  1  0  3  0]
j: [1 0 3 0 0]
i_num: 2
j_num: 2
j: [1 0 3 3 0]
i_num: 2
j_num: 3
[0 0 0 3 0]
2
j: [1 3 3 0 0]
i_num: 2
j_num: 3
[0 3 0 0 0]
3
j: [1 3 0 0 0]
i_num: 2
j_num: 2
lst2_temp: [2, 3, 0]

i: [1 0 3 3 0]
j: [0 1 3 3 0]
i_num: 3
j_num: 3
j: [1 0 3 0 0]
i_num: 3
j_num: 2
j: [1 0 3 3 0]
i_num: 3
j_num: 3
j: [1 3 3 0 0]
i_num: 3
j_num: 3
j: [1 3 0 0 0]
i_num: 3
j_num: 2
lst2_temp: [0, 0, 0]

i: [1 3 3 0 0]
j: [0 1 3 3 0]
i_num: 3
j_num: 3
j: [1 0 3 0 0]
i_num: 3
j_num: 2
j: [1 0 3 3 0]
i_num: 3
j_num: 3
j: [1 3 3 0 0]
i_num: 3
j_num: 3
j: [1 3 0 0 0]
i_num: 3
j_num: 2
lst2_temp: [0, 0, 0]

i: [1 3 0 0 0]
j: [0 1 3 3 0]
i_num: 2
j_num: 3
[-1 -2  3  3  0]
j: [1 0 3 0 0]
i_num: 2
j_num: 2
j: [1 0 3 3 0]
i_num: 2
j_num: 3
[ 0 -3  3  3  0]
j: [1 3 3 0 0]
i_num: 2
j_num: 3
[0 0 3 0 0]
3
j: [1 3 0 0 0]
i_num: 2
j_num: 2
lst2_temp: [3, 0, 0]
[[0. 0. 0.]
 [2. 3. 0.]
 [0. 0. 0.]
 [0. 0. 0.]
 [3. 0. 0.]]

Answer 1

0を一箇所3に変更して同じになるということは、行同士で値ごとの差をとると[0 0 0 0 3]を並び替えたものになるということです。
このことを利用すればfor文を使わなくてもベクトルアプローチで求めることができます。
（また、当然ですが、今回は配列の値に0,3,1しか使われていませんので問題ありませんが、もし3 - 0 = 3以外で差が3になる組み合わせがある場合は数を変更してください）

lst = np.array([[0, 1, 3, 3, 0],
                [1, 0, 3, 0, 0],
                [1, 0, 3, 3, 0],
                [1, 3, 3, 0, 0],
                [1, 3, 0, 0, 0]])

tmp_ar = lst - lst[:, None, :]
result = ((tmp_ar == 3).sum(-1) == 1) & ((tmp_ar == 0).sum(-1) == 4)


# 出力例（質問にある出力結果の意味がわからなかったので適宜修正してください）
for i, row in enumerate(result):
    print(i, np.flatnonzero(row))
# 0 []
# 1 [2 3]
# 2 []
# 3 []
# 4 [3]

Answer 2

内包表記が速いのでは？

pre = 0
post = 3
lst = [[0,1,3,3,0],[1,0,3,0,0],[1,0,3,3,0],[1,3,3,0,0],[1,3,0,0,0]]
ans = [[j for j,ls1 in enumerate(lst) for k in range(len(lst[0])) 
        if ls0[k] == pre and ls1[k] == post 
          and ls0[:k] == ls1[:k] and ls0[k+1:] == ls1[k+1:]]
       for ls0 in lst]
ans = [s + [0]*(3-len(s)) for s in ans]
print(ans) # [[0, 0, 0], [2, 3, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0], [3, 0, 0]]

Answer 3

ご質問のコードを実行したところ以下となりました。

>>> import numpy as np
>>> lst = np.array([[0,1,3,3,0],[1,0,3,0,0],[1,0,3,3,0],[1,3,3,0,0],[1,3,0,0,0]])#質問の一番上に書いてる配列と同じ
>>> lst2 = np.zeros((10,3))#後に、質問の上から二番目に書いてる配列と同じになる
>>> for i in range(len(lst)):#0つ目から試す（3にする前のもの）
...     lst2_temp = []
...     for j in range(len(lst)):#0つ目から試す（3にした後のもの）
...         if int(np.count_nonzero(lst[j] > 0)) - int(np.count_nonzero(lst[i] > 0)) == 1:#それらの配列の0の数が一つ違う = 3が一つ増えた
...             if np.count_nonzero(np.logical_and(lst[j]-lst[i] != 3, lst[j]-lst[i] != 0)) == 0:#それらの配列の差をとったときに、3でも0でもないところがない = 3が一つ増えた以外の変化はない
...                 lst2_temp.append(j) #3にしたあとのものの番号を記録する
...     for j in range(len(lst2[0])-len(lst2_temp)):#リストの長さを3に調整するためのもの
...         lst2_temp.append(0)
...     lst2[i] = np.array(lst2_temp)#これで、質問の上から二番目に書いてる配列と同じになる
...
>>> lst2
array([[0., 0., 0.],
       [2., 3., 0.],
       [0., 0., 0.],
       [0., 0., 0.],
       [3., 0., 0.],
       [0., 0., 0.],
       [0., 0., 0.],
       [0., 0., 0.],
       [0., 0., 0.],
       [0., 0., 0.]])

提示された出力と異なっています。

また、

lst = np.array([[0,0,0,0,0],[3,0,0,0,0],[0,3,0,0,0],[0,0,3,0,0],[0,0,0,3,0]])

で実行すると、以下のようなエラーになります。

Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 9, in <module>
ValueError: could not broadcast input array from shape (4,) into shape (3,)

これは5×3行列や5×3行列では表現できないからです。

求める組み合わせを抽出したいだけであれば以下で可能です。

import numpy as np
before = 0
after = 3
lst = np.array([[0,1,3,3,0],[1,0,3,0,0],[1,0,3,3,0],[1,3,3,0,0],[1,3,0,0,0]])

rows = lst.shape[0]
for i in range(rows):
    for j in range(rows):
        diff = np.where(lst[i]!=lst[j])[0]
        if len(diff) == 1 and lst[i,diff[0]] == before and lst[j,diff[0]] == after:
            print(i, j, diff)

実行結果

>>> import numpy as np
>>> before = 0
>>> after = 3
>>> lst = np.array([[0,1,3,3,0],[1,0,3,0,0],[1,0,3,3,0],[1,3,3,0,0],[1,3,0,0,0]])
>>>
>>> rows = lst.shape[0]
>>> for i in range(rows):
...     for j in range(rows):
...         diff = np.where(lst[i]!=lst[j])[0]
...         if len(diff) == 1 and lst[i,diff[0]] == before and lst[j,diff[0]] == after:
...             print(i, j, diff)
...
1 2 [3]
1 3 [1]
4 3 [2]