Efectivamente, si , se cumple que .
Si dicha desigualdad se cumple para todo (o al menos para todos los en la zona del límite considerado), podés llevar ese argumento al límite, y tenés que
Importante: Notar que cuando pasé al límite la desigualdad dejó de ser estricta. Es bastante fácil encontrar un ejemplo donde y sean como vos decís pero los límites sean iguales. Te invito a buscarlo.