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Er war bekannt für seine herausragenden Beiträge zur Mengenlehre (Untersuchungen zum Auswahlaxiom und zur Kontinuumshypothese), Zahlentheorie, Funktionentheorie und Topologie.
Zwei wohlbekannte Fraktale - das Sierpinski-Dreieck und der Sierpinski-Teppich - sind nach ihm benannt, genauso das Sierpinski-Problem.