По сути, вы пытаетесь построить матрицу Теплица. Для этого есть функция:
import scipy.linalg
tlngth = 5
sp_array = scipy.linalg.toeplitz(np.roll(np.arange(tlngth - 1, -1, -1), 1),
np.arange(tlngth))
#array([[0, 1, 2, 3, 4],
# [4, 0, 1, 2, 3],
# [3, 4, 0, 1, 2],
# [2, 3, 4, 0, 1],
# [1, 2, 3, 4, 0]])