Досліджено задачі з вільною межею, що виникають у багатьох сферах природничих наук і мають варіаційну природу. Це дозволяє на єдиній методологічній основі досліджувати широкий клас нелінійних межових проблем, а саме: задачі типу Бернуллі за плоского та вісесиметричного випадків; двовимірні задачі типу Стефана за стаціонарного та квазістаціонарного режимів. За допомогою розробленого математичного апарату встановлено властивості гладкості розв'язку межових задач і доведено аналітичність вільних меж. Обгрунтовано застосування методу Рітца для побудови наближених розв'язків, що збігаються до точних розв'язків, в різноманітних метриках. Досліджено просторову стаціонарну та нестацінарну задачі теплопровідності з урахуванням конвективного руху в рідинній фазі. Запропоновано метод вивчення цієї задачі, що полягає у розкладанні розв'язку в ряд за степенями малого параметра числа Рейнольдса. Одержано рівняння вільної поверхні залежно від числа Рейнольдса Re.