1. 分析结论①:判断当 $m=1$ 时曲线 $W_1$ 与 $W_2$ 的公共点个数
当 m=1 时,曲线方程分别为 W1:x2+y2=1 和 W2:x4+y2=1。
联立两方程消去 y2,得 x2−x4=0,即 x2(1−x2)=0。
解得 x=0 或 x=±1:
- 当 x=0 时,y2=1⟹y=±1,对应公共点 (0,1),(0,−1);
- 当 x=±1 时,y2=0⟹y=0,对应公共点 (1,0),(−1,0)。
所以公共点共有 4 个,结论①正确。
2. 分析结论②与③:比较 $W_1$ 与 $W_2$ 围成的区域面积大小关系
曲线 W1:x2+y2=m2 为圆,其围成的区域面积为 S1(m)=πm2。
曲线 W2:x4+y2=m2 围成的区域关于坐标轴对称,其面积可由定积分表示为:
S2(m)=4∫0mm2−x4dx
作换元 x=mt,得:
S2(m)=4m3/2∫011−t4dt
令常数 I=4∫011−t4dt。对 t∈(0,1),有 1−t4>1−t2,因此 I>4∫011−t2dt=π。
考虑两面积之差 f(m)=S1(m)−S2(m)=πm2−Im3/2=m3/2(πm−I):
- 当 0<m<1 时,\sqrt{m} < 1 < rac{I}{\pi},故 πm−I<0,推出 S1(m)<S2(m),结论②错误;
- 取 m = \left(rac{I}{\pi}
ight)^2 > 1 时,πm−I=0,即 S1(m)=S2(m),故存在 m>1 使两区域面积相等,结论③正确。
3. 分析结论④:比较对任意 $m > 0$ 两区域内整点个数的大小关系
设 W1 围成区域内的整点集为 D1={(x,y)∈Z2∣x2+y2≤m2},
W2 围成区域内的整点集为 D2={(x,y)∈Z2∣x4+y2≤m2}。
对任意整数 x∈Z,均有 x4≥x2(当 x=0,±1 时取等号,当 ∣x∣≥2 时 x4>x2)。
若整点 (x,y)∈D2,则 x4+y2≤m2,进而有 x2+y2≤x4+y2≤m2,即 (x,y)∈D1。
因此 D2⊆D1,这表明 D1 中的整点个数不少于 D2 中的整点个数。
故对任意 m>0,结论④正确。
综上所述,所有正确结论的序号是①③④。