Twierdzenie Baire’a – twierdzenie w topologii; mówiące, że przeliczalna suma zbiorów nigdziegęstych w przestrzeni zupełnej jest zbiorem brzegowym.
Twierdzenie to zostało nazwane na cześć francuskiego matematyka René-Louisa Baire’a (1874–1932).
Twierdzenie
Niech będzie zupełną przestrzenią topologiczną. Niech ponadto będzie przeliczalną rodziną domkniętych zbiorów nigdziegęstych. Niech też oznacza sumę mnogościową tych zbiorów; tzn. niech:
Wówczas jest zbiorem brzegowym.
Uwaga. Równoważnie: Przekrój przeliczalnej rodziny gęstych zbiorów otwartych, jest sam: zbiorem gęstym.
Uwaga. Równoważnie: W przestrzeni zupełnej , każdy zbiór I kategorii jest brzegowy.
Dowód twierdzenia
Niech będzie zbiorem I kategorii, czyli , gdzie jest nigdziegęsty, dla dowolnego .
Pokażemy, że jest brzegowy, czyli
Niech będzie dowolną kulą otwartą. Udowodnimy, że: .
Skoro jest nigdziegęsty, to istnieje kula że Możemy przyjąć, że jest kulą domkniętą oraz (gdzie oznacza tak zwaną średnicę zbioru).
Następnie, w kuli znajdziemy kulę domkniętą , że (jednocześnie):
, .
Indukcyjnie, znajdziemy ciąg kul domkniętych , taki że dla dowolnego , mamy:
, , .
Z twierdzenia Cantora, mamy:
Zatem:
oraz
więc .