I’m trying to solve the Diophantine equation $$X^2-6Y^2=Z^3 \tag{$\star$}$$ in positive integers $x,y,z$.

Brute force calculations confirm the naïve intuition that there are many [read: surely infinite!] primitive solutions; numerical observation suggests the solutions have determinable [perhaps even “descent”- or “recurrence”-based?] patterns. For example, one “stream” of solutions is $$(x,y,z) \in \{(5,2,1),\ (49,20,1),\ (485,198,1),\ (4801,1960,1),\dots\},$$ where $z=1$ and the $(x_n,y_n)$ satisfy the recurrence $t_n = 10t_{n-1}-t_{n-2}$. Another such stream exists for $z=19$, another for $z=25$, etc.

Evidently, ($\star$) is related to [but different from] the Pellian equation $$X^2-6Y^2=Z^2,$$ so I’m wondering:

Question #1: Is a complete solution already known, either for the equation or for one of the variables (e.g. characterization of $z$)?

Question #2: If not, what are the most promising ways to attack the problem?


The represented numbers can be described explicitly; this is what becomes possible when there is one class per genus of the discriminant. There are two genera, one form each. We know $x^2 - 6 y^2.$ the other genus has $ -x^2 + 6 y^2.$ This may be unfamiliar; for example, a form and its "negative" are sent to just one ideal in the appropriate quadratic field.

We name three types of (positive) primes. "Good" primes are $3$ along with all primes $p \equiv 1, 19 \pmod {24}$ "Medium" primes are $2$ along with all primes $p \equiv 5, 23 \pmod {24}$ "Bad" primes are all primes $p \equiv 7, 11, 13, 17 \pmod {24}$

A positive number is integrally represented by $x^2 - 6 y^2$ when every bad prime has an even exponent and the sum of all exponents for medium primes is even. The exponents of good primes don't do any harm.

1 =   1   
1 =   1   
3 =  3   3:  good  
4 =  2^2   2:  med  
4 =  2^2   2:  med  
9 =  3^2   3:  good  
9 =  3^2   3:  good  
10 =  2 5   2:  med   5:  med  
10 =  2 5   2:  med   5:  med  
12 =  2^2 3   2:  med   3:  good  
16 =  2^4   2:  med  
16 =  2^4   2:  med  
19 =  19   19:  good  
19 =  19   19:  good  
25 =  5^2   5:  med  
25 =  5^2   5:  med  
25 =  5^2   5:  med  
25 =  5^2   5:  med  
27 =  3^3   3:  good  
30 =  2 3 5   2:  med   3:  good   5:  med  
30 =  2 3 5   2:  med   3:  good   5:  med  
36 =  2^2 3^2   2:  med   3:  good  
36 =  2^2 3^2   2:  med   3:  good  
40 =  2^3 5   2:  med   5:  med  
40 =  2^3 5   2:  med   5:  med  
43 =  43   43:  good  
43 =  43   43:  good  
46 =  2 23   2:  med   23:  med  
46 =  2 23   2:  med   23:  med  
48 =  2^4 3   2:  med   3:  good  
49 =  7^2   7:  bad  
49 =  7^2   7:  bad  
57 =  3 19   3:  good   19:  good  
57 =  3 19   3:  good   19:  good  
58 =  2 29   2:  med   29:  med  
58 =  2 29   2:  med   29:  med  
64 =  2^6   2:  med  
64 =  2^6   2:  med  
67 =  67   67:  good  
67 =  67   67:  good  
73 =  73   73:  good  
73 =  73   73:  good  
75 =  3 5^2   3:  good   5:  med  
75 =  3 5^2   3:  good   5:  med  
75 =  3 5^2   3:  good   5:  med  
76 =  2^2 19   2:  med   19:  good  
76 =  2^2 19   2:  med   19:  good  
81 =  3^4   3:  good  
81 =  3^4   3:  good  
90 =  2 3^2 5   2:  med   3:  good   5:  med  
90 =  2 3^2 5   2:  med   3:  good   5:  med  
94 =  2 47   2:  med   47:  med  
94 =  2 47   2:  med   47:  med  
97 =  97   97:  good  
97 =  97   97:  good  
100 =  2^2 5^2   2:  med   5:  med  
100 =  2^2 5^2   2:  med   5:  med  
100 =  2^2 5^2   2:  med   5:  med  
100 =  2^2 5^2   2:  med   5:  med  
106 =  2 53   2:  med   53:  med  
106 =  2 53   2:  med   53:  med  
108 =  2^2 3^3   2:  med   3:  good  
115 =  5 23   5:  med   23:  med  
115 =  5 23   5:  med   23:  med  
115 =  5 23   5:  med   23:  med  
115 =  5 23   5:  med   23:  med  
120 =  2^3 3 5   2:  med   3:  good   5:  med  
120 =  2^3 3 5   2:  med   3:  good   5:  med  
121 =  11^2   11:  bad  
121 =  11^2   11:  bad  
129 =  3 43   3:  good   43:  good  
129 =  3 43   3:  good   43:  good  
138 =  2 3 23   2:  med   3:  good   23:  med  
138 =  2 3 23   2:  med   3:  good   23:  med  
139 =  139   139:  good  
139 =  139   139:  good  
142 =  2 71   2:  med   71:  med  
142 =  2 71   2:  med   71:  med  
144 =  2^4 3^2   2:  med   3:  good  
144 =  2^4 3^2   2:  med   3:  good  
145 =  5 29   5:  med   29:  med  
145 =  5 29   5:  med   29:  med  
145 =  5 29   5:  med   29:  med  
145 =  5 29   5:  med   29:  med  
147 =  3 7^2   3:  good   7:  bad  
160 =  2^5 5   2:  med   5:  med  
160 =  2^5 5   2:  med   5:  med  
163 =  163   163:  good  
163 =  163   163:  good  
169 =  13^2   13:  bad  
169 =  13^2   13:  bad  
171 =  3^2 19   3:  good   19:  good  
171 =  3^2 19   3:  good   19:  good  
172 =  2^2 43   2:  med   43:  good  
172 =  2^2 43   2:  med   43:  good  
174 =  2 3 29   2:  med   3:  good   29:  med  
174 =  2 3 29   2:  med   3:  good   29:  med  
184 =  2^3 23   2:  med   23:  med  
184 =  2^3 23   2:  med   23:  med  
190 =  2 5 19   2:  med   5:  med   19:  good  
190 =  2 5 19   2:  med   5:  med   19:  good  
190 =  2 5 19   2:  med   5:  med   19:  good  
190 =  2 5 19   2:  med   5:  med   19:  good  
192 =  2^6 3   2:  med   3:  good  
193 =  193   193:  good  
193 =  193   193:  good  
196 =  2^2 7^2   2:  med   7:  bad  
196 =  2^2 7^2   2:  med   7:  bad  
201 =  3 67   3:  good   67:  good  
201 =  3 67   3:  good   67:  good  
202 =  2 101   2:  med   101:  med  
202 =  2 101   2:  med   101:  med  
211 =  211   211:  good  
211 =  211   211:  good  
219 =  3 73   3:  good   73:  good  
219 =  3 73   3:  good   73:  good  
225 =  3^2 5^2   3:  good   5:  med  
225 =  3^2 5^2   3:  good   5:  med  
225 =  3^2 5^2   3:  good   5:  med  
225 =  3^2 5^2   3:  good   5:  med  
228 =  2^2 3 19   2:  med   3:  good   19:  good  
228 =  2^2 3 19   2:  med   3:  good   19:  good  
232 =  2^3 29   2:  med   29:  med  
232 =  2^3 29   2:  med   29:  med  
235 =  5 47   5:  med   47:  med  
235 =  5 47   5:  med   47:  med  
235 =  5 47   5:  med   47:  med  

For fixed $Z$ you have a Pell-type equation in $X$ and $Y$; by the theory of such equations, if there is one solution to this there are infinitely many. In fact, if $(X,Y,Z)$ is one solution then $(5X+12Y,2X+5Y,Z)$ is another. The real question is for what values of $Z$ are there solutions?

EDIT: It appears that $X^2 - 6 Y^2 = Z^3$ has integer solutions if and only if $X^2 - 6 Y^2 = Z$ has solutions. One direction is easy: if $X^2-6 Y^2 = Z$ then $(XZ)^2 - 6 (YZ)^2 = Z^3$.

EDIT: The nonnegative integers $z$ for which $X^2 - 6 Y^2 = z$ has integer solutions are OEIS sequence A242661. On the other hand, you don't always have solutions with $\gcd(X,Y,z)=1$. The sequence of $z$ for which $X^2-6Y^2=z^3$ has such solutions is $1, 19, 25, 43, 67, 73, 97, 115, 139, 145, 163, 193, 211, 235, 241, 265, 283, \ldots$, which is not (yet) in OEIS.


This answer does not solve the problem. It only makes an observation at the elementary level. The constructed solution set is only a subset of the countable infinite solution set.


Let,

$$X=Ym, ~Z=Yn$$

$$\begin{align}&\implies Y^2(m^2-6)=Y^3n^3 \\ &\implies m^2-6=Yn^3 \\ &\implies Y=\frac{m^2-6}{n^3}\end{align}$$

If $n=1,~m≥3$, then

$$X=m(m^2-6),~Y=m^2-6, \\ Z=m^2-6 $$

$$X=m^3-6m,~ Y=m^2-6, \\ Z=m^2-6.$$


Setting (with Euler):

$x+y\sqrt{6}=(p+q\sqrt{6})^{3}$,

We get:

$x=p^{3}+18p.q^{2}$

$y=3p^{2}q+6q^{3}$

therefore

$z=p^{2}-6q^{2}$

with $(p,q)∈N$ and $p>q\sqrt{6}$

Ex.:

$(p,q)=(3,1)$, $(x,y,z)=(81,33,3)$;

$(p,q)=(4,1)$, $(x,y,z)=(136,54,10)$;

$(p,q)=(5,1)$, $(x,y,z)=(215,81,19)$;

$(p,q)=(5,2)$, $(x,y,z)=(485,198,1)$;

$(p,q)=( 2450,1000)$, $(x,y,z)=( 58806125000, 24007500000,2500)$.


Better looking output, I did some cutting and pasting to illustrate the double sequences..... Taking $w=1,$ the recipes are (A) $ (p+q \sqrt 6) = \left(x+y \sqrt 6\right)^3 \; , \; \;$ then (B) $ (p+q \sqrt 6) = (5+2 \sqrt 6) \left(x+y \sqrt 6\right)^3 \; . \; \;$

Show $\mathbb{Z}[\sqrt{6}]$ is a Euclidean domain

Recipe A: \begin{align} p &= w^3 (x^3 + 18xy^2) \\ q &= w^3 (3x^2y + 6y^3) \\ r &= w^2 (x^2 - 6y^2) \end{align}

Recipe B: \begin{align} p &= w^3 \color{blue}{(5x^3 + 36x^2y + 90xy^2 + 72y^3)} \\ q &= w^3 \color{green}{(2x^3 + 15x^2y + 36xy^2 + 30y^3)} \\ r &= w^2 (x^2 - 6y^2) \end{align}

Output for $r$ up to $27$ and then $817 = 19 \cdot 43.$ The thing we demand is double direction sequences obeying $p_{j+2} = 10 p_{j+1} - p_j.$ These begin large, shrink down then begin growing again. For some $z$ such as $1,$ the growing part merely duplicates the shrinking part, note how the numbers $485, 49, 5, 1, 5, 49, 485$ obey $p_{j+2} = 10 p_{j+1} - p_j.$

Let's see, $$ p^2 - 6 q^2 = r^3 \; . \; \; $$ The first number in each line is $r,$ I left off $q$ to save space. In this output all $w=1.$ There is no real need to have any other choice of $w,$ since we are already allowing $\gcd(x,y)$ to be arbitrary.

I mentioned $p_{j+2} = 10 p_{j+1} - p_j.$ Now that I have gotten rid of most repetition, notice how the same is true of every third value of $x,$ also every third value of $|y|$

1      p:  4517251249 B    x: 485  y:  198  gcd 1
1      p:  456335045 A    x: 485  y:  198  gcd 1
1      p:  46099201 B    x: 485  y:  -198  gcd 1
1      p:  4656965 B    x: 49  y:  20  gcd 1
1      p:  470449 A    x: 49  y:  20  gcd 1
1      p:  47525 B    x: 49  y:  -20  gcd 1
1      p:  4801 B    x: 5  y:  2  gcd 1
1      p:  485 A    x: 5  y:  2  gcd 1
1      p:  49 B    x: 5  y:  -2  gcd 1
1      p:  5 B    x: 1  y:  0  gcd 1
1      p:  1 A    x: 1  y:  0  gcd 1

3      p:  753651369 B    x: 267  y:  109  gcd 1
3      p:  76134249 A    x: 267  y:  109  gcd 1
3      p:  7691121 B    x: 267  y:  -109  gcd 1
3      p:  776961 B    x: 27  y:  11  gcd 1
3      p:  78489 A    x: 27  y:  11  gcd 1
3      p:  7929 B    x: 27  y:  -11  gcd 1
3      p:  801 B    x: 3  y:  1  gcd 1
3      p:  81 A    x: 3  y:  1  gcd 1
3      p:  9 B    x: 3  y:  -1  gcd 1

4      p:  37255720 B    x: 98  y:  40  gcd 2
4      p:  3763592 A    x: 98  y:  40  gcd 2
4      p:  380200 B    x: 98  y:  -40  gcd 2
4      p:  38408 B    x: 10  y:  4  gcd 2
4      p:  3880 A    x: 10  y:  4  gcd 2
4      p:  392 B    x: 10  y:  -4  gcd 2
4      p:  40 B    x: 2  y:  0  gcd 2
4      p:  8 A    x: 2  y:  0  gcd 2

9      p:  125738055 B    x: 147  y:  60  gcd 3
9      p:  12702123 A    x: 147  y:  60  gcd 3
9      p:  1283175 B    x: 147  y:  -60  gcd 3
9      p:  129627 B    x: 15  y:  6  gcd 3
9      p:  13095 A    x: 15  y:  6  gcd 3
9      p:  1323 B    x: 15  y:  -6  gcd 3
9      p:  135 B    x: 3  y:  0  gcd 3
9      p:  27 A    x: 3  y:  0  gcd 3

10      p:  1249335392 B    x: 316  y:  129  gcd 1
10      p:  126208504 A    x: 316  y:  129  gcd 1
10      p:  12749648 B    x: 316  y:  -129  gcd 1
10      p:  1287976 B    x: 32  y:  13  gcd 1
10      p:  130112 A    x: 32  y:  13  gcd 1
10      p:  13144 B    x: 32  y:  -13  gcd 1
10      p:  1328 B    x: 4  y:  1  gcd 1
10      p:  136 A    x: 4  y:  1  gcd 1
10      p:  32 B    x: 4  y:  -1  gcd 1
10      p:  184 B    x: 8  y:  -3  gcd 1
10      p:  1808 A    x: 8  y:  3  gcd 1
10      p:  17896 B    x: 8  y:  3  gcd 1
10      p:  177152 B    x: 76  y:  -31  gcd 1
10      p:  1753624 A    x: 76  y:  31  gcd 1
10      p:  17359088 B    x: 76  y:  31  gcd 1








12      p:  6029210952 B    x: 534  y:  218  gcd 2
12      p:  609073992 A    x: 534  y:  218  gcd 2
12      p:  61528968 B    x: 534  y:  -218  gcd 2
12      p:  6215688 B    x: 54  y:  22  gcd 2
12      p:  627912 A    x: 54  y:  22  gcd 2
12      p:  63432 B    x: 54  y:  -22  gcd 2
12      p:  6408 B    x: 6  y:  2  gcd 2
12      p:  648 A    x: 6  y:  2  gcd 2
12      p:  72 B    x: 6  y:  -2  gcd 2

16      p:  298045760 B    x: 196  y:  80  gcd 4
16      p:  30108736 A    x: 196  y:  80  gcd 4
16      p:  3041600 B    x: 196  y:  -80  gcd 4
16      p:  307264 B    x: 20  y:  8  gcd 4
16      p:  31040 A    x: 20  y:  8  gcd 4
16      p:  3136 B    x: 20  y:  -8  gcd 4
16      p:  320 B    x: 4  y:  0  gcd 4
16      p:  64 A    x: 4  y:  0  gcd 4

19      p:  1925229703 B    x: 365  y:  149  gcd 1
19      p:  194487695 A    x: 365  y:  149  gcd 1
19      p:  19647247 B    x: 365  y:  -149  gcd 1
19      p:  1984775 B    x: 37  y:  15  gcd 1
19      p:  200503 A    x: 37  y:  15  gcd 1
19      p:  20255 B    x: 37  y:  -15  gcd 1
19      p:  2047 B    x: 5  y:  1  gcd 1
19      p:  215 A    x: 5  y:  1  gcd 1
19      p:  103 B    x: 5  y:  -1  gcd 1
19      p:  815 B    x: 13  y:  -5  gcd 1
19      p:  8047 A    x: 13  y:  5  gcd 1
19      p:  79655 B    x: 13  y:  5  gcd 1
19      p:  788503 B    x: 125  y:  -51  gcd 1
19      p:  7805375 A    x: 125  y:  51  gcd 1
19      p:  77265247 B    x: 125  y:  51  gcd 1

25      p:  582120625 B    x: 245  y:  100  gcd 5
25      p:  58806125 A    x: 245  y:  100  gcd 5
25      p:  5940625 B    x: 245  y:  -100  gcd 5
25      p:  600125 B    x: 25  y:  10  gcd 5
25      p:  60625 A    x: 25  y:  10  gcd 5
25      p:  6125 B    x: 25  y:  -10  gcd 5
25      p:  625 B    x: 5  y:  0  gcd 5
25      p:  125 A    x: 5  y:  0  gcd 5
25      p:  43191059 B    x: 103  y:  42  gcd 1
25      p:  4363183 A    x: 103  y:  42  gcd 1
25      p:  440771 B    x: 103  y:  -42  gcd 1
25      p:  44527 B    x: 11  y:  4  gcd 1
25      p:  4499 A    x: 11  y:  4  gcd 1
25      p:  463 B    x: 11  y:  -4  gcd 1
25      p:  131 B    x: 7  y:  -2  gcd 1
25      p:  847 A    x: 7  y:  2  gcd 1
25      p:  8339 B    x: 7  y:  2  gcd 1
25      p:  82543 B    x: 59  y:  -24  gcd 1
25      p:  817091 A    x: 59  y:  24  gcd 1
25      p:  8088367 B    x: 59  y:  24  gcd 1
25      p:  80066579 B    x: 583  y:  -238  gcd 1
25      p:  792577423 A    x: 583  y:  238  gcd 1
25      p:  7845707651 B    x: 583  y:  238  gcd 1




27      p:  20977947 B    x: 81  y:  33  gcd 3
27      p:  2119203 A    x: 81  y:  33  gcd 3
27      p:  214083 B    x: 81  y:  -33  gcd 3
27      p:  21627 B    x: 9  y:  3  gcd 3
27      p:  2187 A    x: 9  y:  3  gcd 3
27      p:  243 B    x: 9  y:  -3  gcd 3

817      p:  1674697433 B    x: 349  y:  142  gcd 1
817      p:  169178797 A    x: 349  y:  142  gcd 1
817      p:  17090537 B    x: 349  y:  -142  gcd 1
817      p:  1726573 B    x: 41  y:  12  gcd 1
817      p:  175193 A    x: 41  y:  12  gcd 1
817      p:  25357 B    x: 41  y:  -12  gcd 1
817      p:  78377 B    x: 61  y:  -22  gcd 1
817      p:  758413 A    x: 61  y:  22  gcd 1
817      p:  7505753 B    x: 61  y:  22  gcd 1
817      p:  74299117 B    x: 569  y:  -232  gcd 1
817      p:  735485417 A    x: 569  y:  232  gcd 1
817      p:  7280555053 B    x: 569  y:  232  gcd 1
817      p:  187021517 B    x: 169  y:  68  gcd 1
817      p:  18893017 A    x: 169  y:  68  gcd 1
817      p:  1908653 B    x: 169  y:  -68  gcd 1
817      p:  193513 B    x: 29  y:  2  gcd 1
817      p:  26477 A    x: 29  y:  2  gcd 1
817      p:  71257 B    x: 29  y:  -2  gcd 1
817      p:  686093 B    x: 121  y:  -48  gcd 1
817      p:  6789673 A    x: 121  y:  48  gcd 1
817      p:  67210637 B    x: 121  y:  48  gcd 1