Отношение бесконечно малых
Докажем теорему для случая, когда пределы функций равны нулю (то есть неопределённость вида .
Поскольку мы рассматриваем функции f и g только в правой проколотой полуокрестности точки a, мы можем непрерывным образом их доопределить в этой точке: пусть f(a) = g(a) = 0. Возьмём некоторый x из рассматриваемой полуокрестности и применим к отрезку теорему Коши. По этой теореме получим:
,
но f(a) = g(a) = 0, поэтому .
Дальше, записав определение предела отношения производных и обозначив последний через A, из полученного равенства выводим:
для конечного предела и
для бесконечного,
что является определением предела отношения функций.
Отношение бесконечно больших
Докажем теорему для неопределённостей вида .
Пусть, для начала, предел отношения производных конечен и равен A. Тогда, при стремлении x к a справа, это отношение можно записать как A + α, где α — O(1). Запишем это условие:
.
Зафиксируем t из отрезка и применим теорему Коши ко всем x из отрезка :
, что можно привести к следующему виду:
.
Для x, достаточно близких к a, выражение имеет смысл; предел первого множителя правой части равен единице (так как f(t) и g(t) — константы, а f(x) и g(x) стремятся к бесконечности). Значит, этот множитель равен 1 + β, где β — бесконечно малая функция при стремлении x к a справа. Выпишем определение этого факта, используя то же значение ε, что и в определении для α:
.
Получили, что отношение функций представимо в виде (1 + β)(A + α), и . По любому данному ε можно найти такое ε1, чтобы модуль разности отношения функций и A был меньше ε, значит, предел отношения функций действительно равен A.
Если же предел A бесконечен (допустим, он равен плюс бесконечности), то
.
В определении β будем брать ; первый множитель правой части будет больше 1/2 при x, достаточно близких к a, а тогда .
Для других баз доказательства аналогичны приведённым.