とんでもなく遅レスで申し訳ありません。
stlのファイルロードで探しているうちにココにたどり着きました。
測定結果の差は、恐らくvectorの領域限界がくると
メモリの再確保→コピーを繰り返しているか否かだと思われます。
（内部実装的にvectorは２の階乗で領域を確保していたと思います。）
back_inserterの事はよく知りませんが、Case4に関しては
vector.resizeでその手間が省かれた分が速度に反映されたのでは、と思います。

貴重な情報ありがとうございました。