Используйте логическое индексирование следующим образом:
>>> import numpy as np
>>>
>>> p = np.array((4,5,3))
>>> a = np.arange(12.).reshape(3,4)
>>> a.ravel()[[2,5,7]] = np.nan
>>> a
array([[ 0., 1., nan, 3.],
[ 4., nan, 6., nan],
[ 8., 9., 10., 11.]])
>>>
>>> result = np.full_like(a, np.nan)
>>> good = ~np.isnan(a)
>>> result[good] = np.polyval(p, a[good])
>>>
>>> result
array([[ 3., 12., nan, 54.],
[ 87., nan, 177., nan],
[299., 372., 453., 542.]])