Note que \(I_0\) é fechado, pois \(X\setminus I_0= \left ( \underset{z\notin [0,1]}{\bigcup}A_z \right ) \bigcup \left ( \{p\} \bigcup U_2 \right ) \bigcup \left ( \underset{\underset{x\in \mathbb{R}}{0<y\leq 2}}{\bigcup} \{(x,y)\} \right )\), o que é um aberto.
Seja \(f:S\rightarrow \mathbb{R}\) uma função contínua. Suponha que exista um conjunto infinito de pontos da forma \((x,0)\in I_n=[n,n+1]\times \{0\}\) tais que \(f((x,0))=0\). Seja \(Z=\{(x_k,0): k\in\mathbb{N}\}\) um subconjunto enumerável de tais pontos. Para cada \(k\in \mathbb{N}\), sabemos que \(g\) difere de zero para no máximo enumeráveis pontos de \(D_{x_k}\subset A_{x_k}\). Seja \(E_k\subset D_{x_k}\) o conjunto enumerável desses pontos onde \(f\) pode ter valor diferente de zero, e temos que \(f(x)=0\) para \(x\in D_{x_k}\setminus E_k\).
Tome o conjunto das primeiras coordenadas dos pontos de \(E_k\): \(J_k=\{x:(x,y) \in E_k \text{ para algum } y\}\). Claramente esse conjunto é enumerável.
Considere \(J=[n+1,n+2]\setminus \underset{k\geq 1}{\bigcup} J_k\). Note que o complementar do conjunto \(J\times \{0\}\) em \(I_{n+1}\) está contido em \(\underset{k\geq 1}{\bigcup} J_k \times \{0\}\), logo é enumerável. Daí, \(J\times \{0\}\) contém infinitos (não-enumeráveis) elementos.
Fixe um \((x,0)\in J\times \{0\}\). Note que para cada \(k\in \mathbb{R}\), o conjunto \(D_{x_k}\) intersecta \(V_x\) em um ponto diferente. Nesse ponto de intersecção \(a_k\), se \(f(a_k)\neq 0\), teríamos \(a_k\in E_k\), donde \(x\in J_k\), o que implicaria que \((x,0) \notin J \times \{0\}\). Daí, temos que \(f(a_k)=0\) para cada um dos infinitos pontos de interseção de \(D_{x_k}\) com \(V_x\), \(k=1, 2, \ldots\). Daí, existem infinitos pontos em \(A_x\) onde \(f\) se anula, donde \(f((x,0))=0\).
Daí, resulta que existem infinitos pontos em \(I_{n+1}\) onde \(f\) vale zero. Precisamente, os pontos de \(J \times \{0\}\). Nós acabamos de provar que se \(I_n\) possui infinitos pontos onde \(f\) se anula, o mesmo vale para \(I_{n+1}\). Então, se \(I_0\) possui infinitos zeros de \(f\), o mesmo vale para \(I_k\) para qualquer \(k\in \mathbb{N}\), por indução.
Desenho ilustrando a construção acima. Note que se \((x,0)\in J\times \{0\})\), o segmento de reta \(V_x\) intersecta cada conjunto \(D_{x_i}\) em um ponto diferente, e nenhum desses pontos pertencem ao \(E_i\) respectivo. Por construção, \(f\) se anula em todos esses pontos de interseção.