В общем. Рассматриваем конечные последовательности, с возможностью неограниченного пополнения (добавления) памяти путем реализации этого механизма с помощью ДКА и на основе ДКА.
Рассматриваем неограниченные конечные последовательности конечных автоматов.
Аналогично доказательству бесконечности простых чисел.
И в целом, в математике любят рассматривать последовательности всякого рода от частичных сумм до иных величин.
Про неэквивалентность соответствующих определений я в курсе, в курсе.
Я не прошу вас предъявить бесконечную ленту.

чтобы это имело хороший смысл, надо тогда определить, что такое автомат вообще, потом конечный автомат и бесконечный. Правда, МТ тогда может получиться не бесконечным автоматом, а, например, неограниченным (ленту справа можно достраивать)
Если Вам так хочется, то это нетрудно сделать вполне очевидным образом. Назовём «автоматом» систему, возможные состояния которой составляют множество

, причём определена функция

, такая что состояние в следующий момент дискретного времени выражается через состояние в предыдущий момент следующим образом:

.
Назовём автомат «конечным», если множество

конечно. Машина Тьюринга, очевидно, является автоматом, но не конечным, в силу бесконечности количества состояний ленты.

Это Вы сейчас утверждаете, что существует такое достаточно большое

, что я не смогу определить, принадлежит ли

языку

? Неее...
Я готов даже утверждать, что существует такое достаточно большое

, что Вы не сможете определить, что оно существует.

Имеется в виду — без привлечения компьютера себе в помощь.