(⇒) K가 컴팩트라고 하고, (xn)은 K 안의 수열인데 K 안의 점으로 수렴하는 부분수열이 없다고 가정하자. 그러면 모든 x∈K에 대해 rx>0가 존재하여 열린공 B(x,rx)가 xn을 유한 개만 포함한다: 만약 어떤 x에서는 모든 r>0에 대해 B(x,r)가 xn을 무한히 많이 포함한다면, nk를 증가하게 골라 d(xnk,x)<1/k로 만들 수 있어 (xnk)가 x로 수렴하기 때문이다.
(⇒) 공들 {B(x,rx)}x∈K는 K를 덮으므로, 컴팩트성에 의해 유한 부분커버 B(x1,rx1),…,B(xm,rxm)가 존재한다. 각 공은 xn을 유한 개만 포함하므로 그 유한 합집합도 첨수 n을 유한 개만 포함하는데, 이는 수열이 무한히 많은 첨수를 갖는다는 사실과 모순이다. 따라서 K 안의 모든 수열은 K 안의 점으로 수렴하는 부분수열을 갖는다.
(⇐) K가 순차 컴팩트라고 하자 (K가 빈집합이면 양쪽 모두 자명하므로 비어 있지 않다고 둔다). 1단계 (르베그 수): K의 모든 열린 커버 U에 대해 δ>0가 존재하여, 모든 x∈K에 대해 B(x,δ)가 U의 어느 한 원소 안에 들어간다. 모순으로 증명한다: 그렇지 않다면 각 n마다 B(xn,1/n)이 U의 어떤 원소 안에도 들어가지 않는 xn∈K를 고를 수 있다. 순차 컴팩트성으로 부분수열 (xnk)가 x∈K로 수렴한다. x∈U0인 U0∈U가 있고, U0가 열려 있어 B(x,ρ)⊆U0인 ρ>0가 있다. k가 충분히 크면 d(xnk,x)<ρ/2이고 1/nk<ρ/2이므로, 아래 삼각부등식 사슬이 B(xnk,1/nk)⊆U0를 주어 xnk의 선택과 모순이다.
y∈B(xnk,1/nk)⇒d(y,x)≤d(y,xnk)+d(xnk,x)<nk1+2ρ<ρ⇒B(xnk,1/nk)⊆B(x,ρ)⊆U0
(⇐) 2단계 (전유계성): ε>0를 고정하자. 유한한 ε-그물이 존재하지 않는다고 가정하면, 귀납적으로 수열을 만들 수 있다: x1∈K를 고르고, xn+1∈K를 모든 j≤n에 대해 d(xn+1,xj)≥ε를 만족하게 고른다 — 유한 집합 {x1,…,xn}을 중심으로 한 ε-공들이 K를 덮지 못하므로 그 밖의 점을 고를 수 있기 때문이다. 이렇게 얻은 수열은 서로 다른 두 항 사이의 거리가 항상 ε 이상이라 코시 부분수열을 가질 수 없고, 따라서 수렴 부분수열도 가질 수 없어 순차 컴팩트성과 모순이다. 그러므로 유한히 많은 ε-공이 K를 덮는다.
(⇐) 3단계: 열린 커버 U가 주어지면 1단계의 르베그 수 δ>0를 잡고, 2단계를 ε=δ로 적용해 K를 유한히 많은 δ-공으로 덮는다. 각 δ-공은 1단계에 의해 U의 어느 한 원소 안에 들어가므로, 그 유한히 많은 원소들이 K를 덮는다. 따라서 U는 유한 부분커버를 가지며, U가 임의였으므로 K는 컴팩트이다.