Много неточных или вообще неверных выводов. По пунктам:
Это означает, что четвертая неизвестная фигура - тоже белая. Так как слоном и королем мат не ставится.
Вообще иногда ставится, как раз при наличии фигуры у соперника. Правда, в таком случае ферзем тоже ставился бы, так что здесь такой вариант действительно невозможен.
Так как превращение пешки в ферзя не ведет к выигрышу, значит при превращении в ферзя получается пат (i).
Так как пешку нужно обязательно превратить в фигуру для выигрыша, то неизвестная фигура - не ферзь и не ладья.
Вот это абсолютно верно.
Под вопросом следующий вывод:
если пешку нужно превратить в слона или ладью прямо сейчас, то пешка 1) находится под боем, а 2) при прохождении оказывается под защитой (ii)
Действительно под вопросом. На самом деле не обязательно ни 1), ни 2). Это можно увидеть даже из следующего вашего вывода:
С учетом (i) черный король находится на шестой горизонтали.
Но если он на шестой горизонтали, то он не контролирует поле превращения пешки, а тогда зачем оно обязательно должно быть защищено?
Четвертая фигура не может быть пешкой, так как появляется ещё один выигрышный ход - проведение второй пешки.
Ну это для меня не очевидно (вдруг превращение второй пешки в тяжелую фигуру приводит к пату, а в легкую, скажем, к потере первой пешки?), хотя контрпримера не вижу.
Вообще вы совершенно правильно начали решение с выяснения, какой может быть четвертая фигура.
Но в задаче не требуется найти все такие позиции. Я нашел только одну с точностью до симметрии, но особо не искал - как я уже отметил, я искал другое. Поэтому можно и нестрогими соображениями оперировать. Но некоторые сделанные вами выводы неверны для той позиции, которую я нашел.
Upd: ого!!! Я нашел еще одну такую позицию, принципиально другую! Причем ее проанализировать проще, чем первую, которую я придумал (в первой надо понимать ничейность определенного вида позиций, и без этого понимания такое расположение фигур, возможно, даже не придет в голову). Но для нее тоже далеко не все ваши выводы верны.