Большое спасибо
V.V. и всем принявшим участие в обсуждении. Я правда впадал порой в прострацию от утверждений о том, что моя задача в природе не встречается, лишена физического смысла и не решается

С помощью коэффициентов, которые привел
V.V., удалось получить решение задачи в виде:

Численные расчеты подвердили, что это решение есть совершенно верное.
V.V., огромное спасибо!
Мне бы очень хотелось знать, как вы пришли к этому условию ортогональности? Если будет минутка, был бы признателен, если направите меня в нужное русло (например, ссылкой на литературу, на основании Самарского/Тихонова мне дойти до этого не удалось).