4.5.1 배열과 단일 숫자(스칼라)의 마법 같은 연산

스칼라 연산(Scalar Operations)의 프로그래밍적 의미와 활용

단 하나의 숫자가 배열 전체에 마법처럼 퍼져나가는 현상 (브로드캐스팅의 기초)

파이썬의 기본 리스트(list)에서 숫자를 더하거나 곱하려면 복잡한 for 반복문을 써서 원소를 하나하나 꺼낸 뒤 연산해야 합니다.

하지만 Numpy의 강력한 특징 중 하나는 크기가 거대한 배열(Array)에 단일 숫자(스칼라, Scalar) 하나를 던지면, 알아서 배열 안의 모든 원소에 똑같이 연산이 스며든다는 것입니다!

이 현상을 전문 용어로 브로드캐스팅(Broadcasting)이라고 부릅니다.

예시

마치 방송국 송신탑에서 전파를 한 방 쏘면, 수만 대의 라디오가 동시에 똑같은 방송을 수신하는 것과 같은 이치입니다.

단일 스칼라 값이 배열 사이즈에 맞춰 스스로 복제되어 전체에 버프를 거는 모습

언제 어떤 용도로 사용할까? (실무 활용 사례)

• 일괄 데이터 보정표 (Data Scaling): 수만 명의 키나 몸무게 측정 데이터가 들어있는 배열에서 잴 때 기준이 잘못되어 전체적으로 “전부 +3cm 해줘”, 혹은 달러 환율을 한국 돈으로 바꾸기 위해 “전부 * 1300 달러 환율을 곱해줘” 할 때 단 한 줄이면 1초 만에 완료됩니다.
• 좌표 일괄 이동 (Coordinate Shifting): 화면 속 주인공의 X, Y 좌표 배열을 가지고 있을 때, 좌표배열 + 10을 하면 캐릭터가 우측으로 10픽셀 순간이동을 하게 됩니다. 물리 엔진 처리에서 필수적입니다.
• 퍼센트 및 확률변환: 전체 학생의 시험 점수 배열을 점수배열 / 100.0 으로 나누어 단숨에 0.0 ~ 1.0 사이의 확률 값이나 퍼센테이지로 압축(정규화)할 때 쓰입니다.

스칼라 사칙연산 활용 예제

이번에는 스칼라(단일 숫자)를 활용하여 배열에 사칙연산 요소들을 일괄 적용하는 방법을 알아봅시다.

기본 배열 생성

스칼라 연산을 테스트하기 위해 먼저 기본이 되는 1차원 배열(벡터) a를 생성하겠습니다. np.arange(3) 함수를 사용하면 0부터 시작해서 3개의 연속된 원소를 가지는 배열 [0, 1, 2]가 손쉽게 만들어집니다.

np.arange(3) 함수가 0, 1, 2 세 개의 값을 자동으로 나열하여 1차원 배열 객체를 만드는 모습입니다.

import numpy as np

# 0부터 시작하는 3칸짜리 정수 배열 생성
a = np.arange(3)

# 생성된 기본 배열의 형태를 출력하여 확인
print("기본 배열 a:", a)

출력:

기본 배열 a: [0 1 2]

덧셈 (Addition)

배열의 모든 요소에 동일한 숫자(스칼라)를 한 번에 더합니다. 반복문을 사용하지 않아도 모든 원소에 일괄적으로 덧셈 연산이 수행됩니다.

배열 [0, 1, 2]의 각 원소에 숫자 2가 독립적으로 더해지는 과정을 보여줍니다.

# 배열 a의 각 원소에 단일 숫자 2를 모두 더합니다.
result_add = a + 2
print(result_add)

출력:

[2 3 4]

뺄셈 (Subtraction)

배열의 모든 요소에서 지정된 숫자(스칼라)를 한 번에 뺍니다. 기존 데이터들과의 일정한 차이를 구하거나 수치를 감소시킬 때 사용합니다.

배열의 각 원소에 복제된 -2가 적용되어 -2, -1, 0이 되는 모습을 나타냅니다.

# 배열 a의 각 원소에서 지정된 단일 숫자 2를 뺍니다.
result_sub = a - 2
print(result_sub)

출력:

[-2 -1  0]

곱셈 (Multiplication)

배열의 모든 요소에 동일한 숫자(스칼라)를 한 번에 곱합니다. 모든 데이터를 몇 배수만큼 일정 비율로 확대시킬 때 유용하게 사용합니다.

숫자 2가 복제되어 배열의 각 칸에 분배되고 곱셈이 이루어지는 과정입니다.

# 배열 a의 모든 요소에 단일 숫자 2를 곱셈 처리합니다.
result_mul = a * 2
print(result_mul)

출력:

[0 2 4]

나눗셈 (Division)

배열의 모든 요소를 동일한 숫자(스칼라)로 한 번에 나눕니다. 합계를 전체 개수로 나누어 각각의 비율이나 평균을 산출할 때 유용합니다.

배열 안의 각 요소들에 나누기 2가 수행되고 결괏값의 소수점이 계산되는 과정을 보여줍니다.

# 배열 a의 각 원소를 각각 단일 숫자 2로 나눕니다.
result_div = a / 2
print(result_div)

출력:

[0.  0.5 1. ]

[Tip] 나눗셈 연산의 경우 파이썬 3의 특성상 0 / 2든 1 / 2든 결과가 무조건 소수점을 가지는 실수형(float64)으로 변환되어 배열 전체가 실수 배열로 바뀝니다. 정수만 남기고 버림을 하려면 a // 2 (몫만 구하기) 연산자를 사용해야 합니다.