已知曲线W1W_{1}:x2+y2=m2x^{2}+y^{2}=m^{2},W2W_{2}:x4+y2=m2x^{4}+y^{2}=m^{2},其中m>0.m>0. ①当m=1m=1时,曲线W1W_{1}与W2W_{2}有44个公共点; ②当0<m<10< m< 1时,曲线W1W_{1}围成的区域面积大于曲线W2W_{2}围成的区域面积; ③∃m>1∃m>1,曲线W1W_{1}围成的区域面积等于W2W_{2}围成的区域面积; ④∀m>0∀m>0,曲线W1W_{1}围成的区域内整点((即横、纵坐标均为整数的点))个数不少于曲线W2W_{2}围成的区域内整点个数. 其中,所有正确结论的序号是 ___ .

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完整解法

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=1m = 1 时,曲线方程分别为 W1:x2+y2=1W_1: x^2 + y^2 = 1 和 W2:x4+y2=1W_2: x^4 + y^2 = 1。
联立两方程消去 y2y^2,得 x2−x4=0x^2 - x^4 = 0,即 x2(1−x2)=0x^2(1 - x^2) = 0。
解得 x=0x = 0 或 x=±1x = \pm 1:

  • 当 x=0x = 0 时,y2=1  ⟹  y=±1y^2 = 1 \implies y = \pm 1,对应公共点 (0,1)(0, 1),(0,−1)(0, -1);
  • 当 x=±1x = \pm 1 时,y2=0  ⟹  y=0y^2 = 0 \implies y = 0,对应公共点 (1,0)(1, 0),(−1,0)(-1, 0)。
    所以公共点共有 44 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=m2W_1: x^2 + y^2 = m^2 为圆,其围成的区域面积为 S1(m)=πm2S_1(m) = \pi m^2。
曲线 W2:x4+y2=m2W_2: x^4 + y^2 = m^2 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−x4 dxS_2(m) = 4 \int_{0}^{\sqrt{m}} \sqrt{m^2 - x^4} \, \mathrm{d}x
作换元 x=mtx = \sqrt{m}t,得:
S2(m)=4m3/2∫011−t4 dtS_2(m) = 4 m^{3/2} \int_{0}^{1} \sqrt{1 - t^4} \, \mathrm{d}t
令常数 I=4∫011−t4 dtI = 4 \int_{0}^{1} \sqrt{1 - t^4} \, \mathrm{d}t。对 t∈(0,1)t \in (0, 1),有 1−t4>1−t2\sqrt{1 - t^4} > \sqrt{1 - t^2},因此 I>4∫011−t2 dt=πI > 4 \int_{0}^{1} \sqrt{1 - t^2} \, \mathrm{d}t = \pi。
考虑两面积之差 f(m)=S1(m)−S2(m)=πm2−Im3/2=m3/2(πm−I)f(m) = S_1(m) - S_2(m) = \pi m^2 - I m^{3/2} = m^{3/2}(\pi \sqrt{m} - I):

  1. 当 0<m<10 < m < 1 时,\sqrt{m} < 1 < rac{I}{\pi},故 πm−I<0\pi \sqrt{m} - I < 0,推出 S1(m)<S2(m)S_1(m) < S_2(m),结论②错误;
  2. 取 m = \left( rac{I}{\pi} ight)^2 > 1 时,πm−I=0\pi \sqrt{m} - I = 0,即 S1(m)=S2(m)S_1(m) = S_2(m),故存在 m>1m > 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 W1W_1 围成区域内的整点集为 D1={(x,y)∈Z2∣x2+y2≤m2}D_1 = \{(x, y) \in \mathbb{Z}^2 \mid x^2 + y^2 \le m^2\},
W2W_2 围成区域内的整点集为 D2={(x,y)∈Z2∣x4+y2≤m2}D_2 = \{(x, y) \in \mathbb{Z}^2 \mid x^4 + y^2 \le m^2\}。
对任意整数 x∈Zx \in \mathbb{Z},均有 x4≥x2x^4 \ge x^2(当 x=0,±1x = 0, \pm 1 时取等号,当 ∣x∣≥2|x| \ge 2 时 x4>x2x^4 > x^2)。
若整点 (x,y)∈D2(x, y) \in D_2,则 x4+y2≤m2x^4 + y^2 \le m^2,进而有 x2+y2≤x4+y2≤m2x^2 + y^2 \le x^4 + y^2 \le m^2,即 (x,y)∈D1(x, y) \in D_1。
因此 D2⊆D1D_2 \subseteq D_1,这表明 D1D_1 中的整点个数不少于 D2D_2 中的整点个数。
故对任意 m>0m > 0,结论④正确。

综上所述,所有正确结论的序号是①③④。

答案

①③④

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