Supongamos que $ \Omega \subset \mathbb{R}^N$ es un dominio suave y acotado. Hay una desigualdad de Hardy bien conocida que dice
Para cualquier $ u \in W_0^{1,2}(\Omega) $ , $N\geq3$ tenemos $$ \Lambda \int_{\Omega} \frac{u^2}{|x|^2} \, \mathrm{d}x \leq \int_{\Omega} |\nabla u|^2 \, \mathrm{d}x $$ Donde $ \Lambda=\frac{(N-2)^2}{4} $ es la constante óptima.
Ahora se me pide que demuestre que para cualquier $p>2$ y $u \in C_0^{\infty}(B_r(0))$ $$ \Lambda \int_{B_r(0)} \frac{u^2}{|x|^p} \, \mathrm{d}x \leq \int_{B_r(0)} |\nabla u|^2 \, \mathrm{d}x $$ se contradice con la desigualdad de Hardy. Donde $B_r(0)$ es la bola centrada en cero para algún radio $r$ suficientemente pequeño.
Mi intento: $$ \int_{B_r(0)} \frac{u^2}{|x|^p} \, \mathrm{d}x=\int_{B_r(0)} \frac{1}{|x|^{p-2}} \frac{u^2}{|x|^2} \, \mathrm{d}x $$
para algunos $r$ suficientemente pequeño, ya que $p>2$ podemos decir que
$$\frac{1}{|x|^{p-2}} > \Lambda_N$$
Así que esto se contradice con la optimalidad de $\Lambda_N$ en la desigualdad de Hardy.
¿Puede alguien dar otro enfoque?
Gracias.